黄道周祖籍莆田文赋里双牌铺（今莆田山牌村），为唐朝桂州刺史黄岸三十世孙、北宋枢密黄中庸二十一世孙、南宋潭州知府黄丰的十八世孙。黄道周乞言自序状云：“先代从莆田徙居铜海（今福建省东山县）再世矣。”
明万历十三年（1585年）二月初九（3月9日），道周生于漳浦县铜山所，即今东山县铜陵镇，出生世家，年少家贫，自幼聪颖好学，5岁就学于铜山崇文书院；11岁即善文章；14岁游学广东博罗，获誉“闽海才子”；18岁居铜山海中塔屿耕读攻《易》；20岁开始与灵通山结缘；23岁始致力讲学著作；25岁携母迁居漳浦县城；28岁后隐于县城东郊的东皋攻书。 天启二年（1622年）三十八岁的黄道周中进士，与倪元璐、王铎同科。道周先后任明天启朝翰林编修、经筵展书官，崇祯朝翰林侍讲学士、经筵展书官。黄道周感激考官袁可立的赏识，为先师作《节寰袁公传》，记述其一生坎坷多艰的为官历程，“以写其胸中砰訇磊落之气”。 袁可立是明万历年间著名的言官，曾因直言进谏被万历皇帝先是镌三级，再贬再谏，后被罢官回籍二十六年。也是明末著名的抗清主战派将领，对黄道周一生影响很大，后来黄道周为钱龙锡辩冤和反对杨嗣昌议和直谏皇帝，成为一代抗清名臣，颇有先师袁可立刚直之风。
崇祯兴大狱，株连甚众，原大学士钱龙锡亦牵连论死。事发，举朝无敢出一言者。唯黄道周激于义愤，“中夜草疏，排闼叩阍”，为钱龙锡辩冤。疏中直指崇祯的过失：“今杀累辅，徒有损于国”。崇祯帝大怒，“以诋毁曲庇”，着令回奏。黄道周再疏辩解，表明自己“区区寸心”，“为国体、边计、士气、人心留此一段实话”。他此次抗疏“几坐重典”，降三级调用。由于他据理争辩，钱龙锡方得不死。崇祯五年（1632年）正月，黄道周因病请求归休。将离京时，他又上疏指出：“小人柄用，怀干命之心”，以致“士庶离心，寇攘四起，天下骚然，不复乐生”，建议崇祯帝“退小人，任贤士”，并举荐一批有才有志之士。疏上，获“滥举逞臆”之罪，削籍为民。 黄道周罢官返乡南归，途经浙江，应浙中诸生之请，在余杭大涤山建书院授业；后返乡在漳州紫阳书院聚徒讲学。
崇祯九年（1636年），召复黄道周原官，迁左谕德，擢詹事府少詹事，兼翰林侍读学士，充经筵日讲官。崇祯十一年（1638年），黄道周因指斥大臣杨嗣昌等私下妄自议和，七月初五崇祯帝在平台召开御前会议，黄道周“与嗣昌争辩上前，犯颜谏争，不少退，观者莫不战栗”。崇祯帝袒护杨嗣昌，斥黄道周：“一生学问只办得一张佞口！”黄道周高声争辩：“忠佞二字，臣不敢不辩。臣在君父之前独独敢言为佞，岂在君父之前谗诌面谀者为忠乎？”他厉声直逼皇上：“忠佞不分，则邪正混淆，何以治？”这场有名的辩论之后黄道周被连贬六级，调任江西按察司照磨。
崇祯十三年（1640年），江西巡抚解学龙以“忠孝”为由向朝廷举荐黄道周。解学龙说：“我明道学宗主，可任辅导（相）。”崇祯一听大怒，下令逮捕二人入狱，以“伪学欺世”之罪重治。由于几位大臣力谏，改为廷杖八十，永远充军广西。此番杖谪，使黄道周声名愈重，“天下称直谏者，必曰黄石斋。”
崇祯十四年，杨嗣昌暴病而亡。崇祯回想起黄道周当初的预言，便下旨将黄道周复官，入京召见。此时，河南已被李自成农民军攻占，关外大明领土也皆被清军占领，黄道周见朝廷昏庸无道，国运已尽，遂告病辞官，回到老家福建漳浦，结庐先人墓侧，专心著述。 明亡后，任南明弘光朝吏部侍郎、礼部尚书，“严冷方刚，不偕流俗”，杨廷麟曾力荐他充讲官兼直经筵。弘光亡后，回福建，至福州。隆武帝封武英殿大学士兼吏、兵二部尚书。但兵权落入郑芝龙手中，时清廷颁布剃发令，江南人民求救于南明隆武朝廷，芝龙养兵自重，不发一兵一卒。黄道周只得返乡筹兵筹粮。
隆武元年（1645年）九月十九日，道周募众数千人，马仅十余匹，另有一月粮，出仙霞关，与清兵抗击。夫人蔡氏叹道：“道周死得其所了！”。十月初抵达广信（今上饶），募得三个月兵粮，分兵三路，向清兵发起进攻，一路向西攻抚州（今临川），另两路北上分攻婺源、休宁，不久三路皆败。十二月六日，黄道周率队向婺源出发，至童家坊，得知乐平已陷，二十四日，抵明堂里时遇伏，参将高万容逃队，于是全军崩溃。道周被徽州守将张天禄俘获，送至南京狱中，狱中吟咏如故，有诗云： 六十年来事已非，翻翻复复少生机。老臣挤尽一腔血，会看中原万里归。清廷派使洪承畴劝降，黄道周写下这样一副对联：“史笔流芳，虽未成功终可法；洪恩浩荡，不能报国反成仇。”将史可法与洪承畴对比。洪承畴又羞又愧，上疏请求免道周死刑，清廷不准。后绝食十二日，期间其妻蔡氏来信：“忠臣有国无家，勿内顾”。
隆武二年三月五日（4月20日）就义，临刑前，盥洗更衣，取得纸墨，画一幅长松怪石赠人，并给家人留下了遗言：“蹈仁不死，履险若夷；有陨自天，舍命不渝”。就义之日，其老仆哭之甚哀，道周安慰他说：“吾为正义而死，是为考终，汝何哀？”乃从容就刑。黄道周因抗清死节，大义凛然！至东华门刑场上，向南方再拜，道周撕裂衣服，咬破手指，留血书遗家人：“纲常万古，节义千秋；天地知我，家人无忧。”临刑前大呼：“天下岂有畏死黄道周哉?”最后头已断而身“兀立不仆”，死后，人们从他的衣服里发现“大明孤臣黄道周”七个大字。其门人蔡春落、赖继谨、赵士超和毛玉洁同日被杀，人称“黄门四君子”。
讣讯传至福建，隆武帝“震悼罢朝”，特赐谥“忠烈”，赠文明伯，并令在福州为黄道周立“闵忠”庙，树“中兴大功”坊；另在漳浦立“报忠”庙，树“中兴荩辅”坊，春秋奠祭。百年后，清乾隆帝为褒扬黄道周忠节，改谥“忠端”；道光四年（1824），旨准黄道周从祀孔庙。