大海人皇子（後の天武天皇）の皇子（長男）として誕生。母は尼子娘。
名の由来は諸説あるが、大和国高市郡にて育ったといういわれから。
大和国外山に鎮座する宗像神社 (桜井市)は高市皇子が母方の氏神を祀り創建したと伝わる。
西暦672年、
壬申の乱の勃発時、
吉野宮にいた父・天武天皇とは別居して、
高市皇子は近江大津京にあった。
天武天皇元年6月24日に行動を起こした大海人皇子は、
大分恵尺を使者として、
高市皇子と大津皇子に事を告げ、伊勢で会うよう命じた。
2人の皇子は別行動をとり、
高市皇子は鹿深を越えて6月25日に積殖山口で父に追いついた。
鹿深（かふか）は甲賀、積殖は伊賀の阿拝郡の柘植である。
このとき従っていた者は、民大火、赤染徳足、大蔵広隅、坂上国麻呂、古市黒麻呂、竹田大徳、胆香瓦安倍）であった。
高市皇子はそのまま大海人皇子の一行に加わった。
大津皇子は遅れて鈴鹿関に着き、無事に合流した。
6月26日、伊勢の朝明郡の郡家の手前で、一行は村国男依に出会った。 男依は、美濃の軍3000人で不破道を塞ぐことができたと報告した。 大海人皇子は郡家に着いてから高市皇子を不破にやって軍事を監督させ、 東海と東山に動員を命じる使者を送った。
6月27日、高市皇子は不破から桑名郡家にいた父に使者を送り、 「御所から遠くにあって、政治を行うのに不便です。近い所にいてください」と要請した。 そこで大海人皇子は野上に移った。 この日、不破においた伏兵が、 西から来た敵の使者、書薬と忍坂大麻呂を捕らえた。 高市皇子は和蹔から野上まで父を出迎え、敵の使者のことを報告した。
『釈日本紀』が引用する調淡海と安斗智徳の日記によれば、 このとき大海人皇子は、 唐の人たちに「汝の国は戦が多い国だ。きっと良い戦術を知っているのではないか」と問うた。 一人が進んで言うには、 「唐国では先ず遣者と観者をやって地形の険平と消息を見させます。軍を出して夜襲したり昼撃したりしますが、深い術は知りません」。 そして書紀の次の場面に移る。
大海人皇子は高市皇子に、 「近江朝では、左右大臣と智謀の群臣が一緒に議を定めている。今朕はともに事を計る者がない。幼少の子供がいるだけだ。どうしたものか」と言った。 高市皇子は腕まくりをして剣を握りしめ、 「近江の群臣は多いといえども、どうして天皇の霊に逆らえますか。天皇独りであっても、ここに臣高市、神祇の霊を頼り、天皇の命を請け、諸将を率いて征討します。これをどうやって防げましょうか。」と答えた。 大海人皇子は誉めて高市の手をとり背を撫でて、「慎め、怠るな」といった。 そこで鞍馬を与え、軍事をすべて委ねた。
高市皇子は和蹔に帰り、 大海人皇子は野上に行宮を作った。 和蹔は和蹔原（和射見が原）のことで、 後の関ヶ原盆地を指す。 不破関はその西方の入り口、野上は東の端にある。 各地から来た大海人皇子の軍勢は、和蹔に集結して高市皇子に掌握されたと考えられる。
28日に大海人皇子は和蹔に出向いて軍事を検校して帰った。 29日にも和蹔に行き、 高市皇子に命令を与え、軍衆に号令して、また野上に帰った。
日付は不明だが、6月末か7月初めに、敵の小部隊が玉倉部邑を衝いたが、 出雲狛が撃退した。
7月2日、大海人皇子はそれぞれ数万の2つの軍を送り出した。 一方は伊勢から倭（大和）に向かって大伴吹負軍の増援となり、 もう一方は不破から出て近江に直に入った。 これ以後の戦闘で、高市皇子の名は見えない。 近江進攻軍とともにあり、指揮の実際は諸将に委ねたか、 なお和蹔にあってさらに遠方から来る軍を受け入れたのであろう。
7月23日に大友皇子（弘文天皇）が自殺したことで、 壬申の乱は終わった。 8月25日に、大海人皇子は高市皇子に命じて、 近江の群臣を処罰させた。
乱の終結した直後、 西暦673年（天武天皇2年）2月に即位した天武天皇の皇親政治のもと、 高市皇子を除く他の皇子たちはまだ幼かったが、 『日本書紀』天武天皇4年（675年）11月4日の条には既に、 高市皇子より以下、 小錦より以上の大夫らに衣、袴、褶、腰帯、脚帯、机、杖を賜う」とある。
西暦679年（天武天皇8年5月6日）に、 天皇、皇后（持統天皇）、 草壁皇子、 大津皇子、高市皇子、川島皇子、忍壁皇子、志貴皇子は、 吉野宮で互いに助け合うことを約束した（吉野の盟約）。 10日に六皇子が大殿の前で天皇を拝した。 天武天皇が自らの死後に壬申の乱のような皇位継承争いが起こることを恐れたためとされる。
この頃から高市皇子は天武天皇の皇子の中で第三の地位とされるようになった。 皇女を母にもつ草壁皇子、大津皇子に次ぐ。 またこの頃より、天武天皇の皇子たちは病気見舞いや弔問にしばしば遣わされた。 高市皇子は、 西暦680年（天武天皇9年5月20日）、 飛鳥寺の弘聡という僧が死んだとき、 大津皇子とともに弔問に遣わされた。 同年7月25日、舎人王の病気が重くなったので、 高市皇子が遣わされて見舞いした。 翌日舎人王が死ぬと、高市皇子と川島皇子が弔問に遣わされた。 西暦681年（翌9年11月17日）に、 恵妙という僧が死んだため、3皇子が遣わされて弔った。 高市皇子もその一人だったと思われる。 西暦684年（11年7月9日）には、 膳摩漏の病気見舞いに草壁皇子と高市皇子が遣わされた。
西暦685年（天武天皇14年1月21日）、 冠位48階の制が定められたとき、高市皇子は浄広弐の位を与えられた。 天武天皇の皇子の中で草壁皇子、大津皇子に次ぎ3番目であった。
西暦686年（朱鳥元年1月2日）、 天武天皇は大極殿で宴をした。 このとき天武天皇は無端事（なぞなぞ）を問うので正しく答えれば褒美を与えると言った。 高市皇子は正しく答え、蓁措（榛染め）の衣を3、錦の袴を2、絁（あしぎぬ）20匹、糸50斤、綿100斤、布100端を得た。
西暦679年（天武天皇8年8月2日）に親王以下に封戸が授けられており、 このときに封戸（600戸か）を認められていたはずである。 『日本書紀』には西暦686年（朱鳥元年8月13日）に、 高市皇子は草壁皇子、大津皇子とともに400戸の封戸を加えられたことが見える。
天武天皇が亡くなった直後、 皇太子につぐ皇位継承資格を持つと見られていた大津皇子が謀反の罪で死刑になった。 続いて皇太子の草壁皇子が西暦689年（持統天皇3年4月13日）に薨御した。 そのためそれまで天武天皇の皇后として政務を執っていた鸕野讃良皇女が西暦690年（翌年1月1日）に即位した。 持統天皇である。 この年の7月5日に全面的な人事異動があり、高市皇子は太政大臣に任命された。 このときから薨御まで、高市皇子は皇族・臣下の筆頭として重きをなし、 持統政権を支えた。
西暦690年（持統天皇4年10月29日）、 高市皇子は多数の官人を引き連れて藤原宮の予定地を視察した。
西暦691年（持統天皇5年1月4日）、 高市皇子の封を2000戸を増し、前のとあわせて5000戸になった。
西暦696年（持統天皇10年7月10日）薨御。 『延喜式』諸陵によれば墓は「三立岡墓」で、 大和国広瀬郡にあり、 東西6町南北4町で守戸はなし。 一方で、キトラ古墳か高松塚古墳の被葬者を高市皇子とする説もある。
『万葉集』巻第2の199～202番に柿本人麻呂作の高市皇子への、 『万葉集』中最長の壮大な挽歌が収められている。 ここに「高市皇子尊」「後皇子尊」と尊称されている。 この尊称から彼が立太子されていたのではないかとの説がある。
また柿本人麻呂がこれほど壮大な挽歌を寄せていることから、 この2人は親交があったのではないかと言われている。
上記の挽歌、 高市皇子の長男・長屋王の邸宅跡から発見された「長屋親王宮鮑大贄十編」の木簡、政治情勢、壬申の乱における功績、母の実家の勢力、莫大な資産などから彼が天皇であったという説もあるが、 はっきりとはしていない。 「後皇子尊」ともあるがはっきりしない。