高至霆出生在文艺世家，妈妈是歌手，后来因为声带小结放弃了唱歌的事业。高至霆从小就跟着妈妈跑乐队，妈妈觉得高至霆也应该有一技之长，于是找了一个戏曲老师教他，学曲艺期间，高至霆总站不直，师娘很严厉，一直希望纠正好他这个毛病。所以最初高至霆学舞蹈是为了后面更好地打快板，也是为了能让他更好地站着，结果，他却在舞蹈专业上一发不可收了。
12岁那年，高至霆在妈妈的鼓励下，考入了北京舞蹈学院附中歌舞剧班，考大学的时候，高至霆原本已经考上了北京舞蹈学院，中戏招生他完全就是去试试。高至霆在中戏的考试非常顺利，当时刘天池是他的主考官，后来也成了他的班主任。最终，高至霆又在大家的鼓励下选择了中央戏剧学院，但没想到刚刚上完大一，他就有了想要退学的念头。后来老师也发现了他的问题，慢慢引导他。大学时，高至霆一直都是班长。
2013年，高至霆考入中央戏剧学院表演系，师从刘天池 ；在校期间，他在班级中的成绩是第一名 。大二时，他还参演了话剧《鬼吹灯》。
2017年，与胡一天、沈月、王梓薇联袂主演根据赵乾乾同名小说改编的青春爱情剧《致我们单纯的小美好》，在剧中饰演外表看似玩世不恭、实际上却很专一的男二号吴柏松 ，该剧上线1天便取得了点击率破亿的成绩 ；12月29日，由王俊凯、迪丽热巴、董子健领衔主演的奇幻电影《解忧杂货店》上映，高至霆在片中饰演青年时期的浩博 。
2018年，与张燕妮、李如歌、王双宝联袂主演励志爱情喜剧电影《最美马拉松》，他所饰演男主角林赫是个富二代，最初有些意志力不坚定，后来大胆地走出阴影并改变了自己 ；10月18日，与李光洁、袁文康、姜珮瑶合作主演的警匪悬疑动作剧《悍城》播出，在剧中饰演穿西装打架的小武 ；12月18日，获得中国时尚权力榜年度惊喜男艺人奖 。
2019年4月，作为毕业生代表参与演唱了中戏版《我爱你中国》 。
2020年9月16日，与林允、葛铮联合主演年代剧《光阴里的故事》，在剧中饰演毕世喜的儿子毕来福 ；10月25日，与张鑫主演的推理悬疑剧《侦探语录》在爱奇艺播出，在剧中饰演了新派警察谭伯顿 。
2021年5月14日，与张天爱主演的电视剧《我的漂亮朋友》播出 ；6月3日，与徐璐、邱赫南联合主演青春剧《飞鸟集》开播，在剧中饰演身负神秘使命的IT天才武越 ；2021年7月1日，参演电影《革命者》上映。
在电视剧《悍城》中，硬汉小生高至霆的表现让人惊艳，饰演于永义心腹小武的他，突破了原本青涩懵懂的形象，西装革履、利落持枪，塑造了仗义、狠辣的“帮会小美好”形象 ；而小武暖的一面也让大家感受到了他演技的不设限及可圈可点 （北青网、红网评）。
