本名岡倉覚三。江戸幕末の文久2年（1863）、元越前福井藩士で生糸の輸出を生業とする石川屋の次男として横浜に生まれた。明治13年（1880）東京大学を卒業。文部省へ就職し同16年（1883）頃から文部少輔九鬼隆一に従い全国の古社寺調査を行った。同19年（1886）フェノロサとともに美術取調委員として欧米各国の美術教育情勢を視察するために出張した。

帰国後東京美術学校（現在の東京芸術大学）の開校準備に携わり、開校後の同23年（1890）、27歳の若さで同校二代目の校長になる。近代国家にふさわしい新しい絵画の創造をめざしたが、急進的な日本画改革を進めようとする姿勢は反発を招き明治31年（1898）校長の職を退いた。その後彼に付き従った橋本雅邦をはじめとする26名の同志とともに日本美術院を創設する。

明治37年国内で革新的な日本画の受け入れがたさを感じアメリカに渡る。ボストン美術館の中国・日本美術部に迎えられ、東洋美術品の整理や目録作成を行い、また、ボストン社交界のクイーンと呼ばれた、大富豪イザベラ・ガードナー夫人と親交を深めた。明治39年、天心は日本美術院の再建を図り、それまでの美術院を改組し、その第一部（絵画）を五浦に移転した。天心はここを「東洋のバルビゾン」と称して新しい日本画の創造をめざし、横山大観、下村観山、菱田春草、木村武山を呼び寄せた。晩年の天心は、ボストン美術館において中国、インド、日本での美術品収集を精力的に行うほか、日本や東洋の美術を欧米に紹介する著作や講演の仕事をこなした。明治43年（1910）には同美術館の中国・日本美術部長に就任している。