Cao Thắng sinh năm 1864, trong một gia đình nông dân tại làng Tuần Lễ, Hương Sơn, Hà Tỉnh. Thuở nhỏ ông thông minh, nhanh nhẹn, ham tập võ và săn bắn.
Năm 1885, cụ Phan Đình Phùng hưởng ứng chiếu Cần vương, được vua Hàm Nghi giao trọng trách tổ chức phong trào kháng Pháp ở Hà Tĩnh. Ông Cao Thắng đem theo 60 thủ hạ, cùng em là Cao Nữu gia nhập phong trào Cần Vương tổ chức khởi nghĩa ở núi Vụ Quang, Hương Sơn, khu Ngàn Trươi. Ông được cụ Phan Đình Phùng phong chức Quản cơ, lo việc đôn đốc tổ chức nghĩa quân.
Ngay sau khi nhận trọng trách, Cao Thắng đưa toàn bộ nghĩa quân sang vùng Bạch Sơn phối hợp với đội nghĩa binh của Lê Ninh (cũng vừa mới rút về đây cố thủ), tổ chức xây dựng vùng Bạch Sơn thành một căn cứ đứng chân và huấn luyện binh sĩ. Với tinh thần trách nhiệm cao cùng sự am hiểu về phép luyện binh, chỉ trong một thời gian ngắn, Cao Thắng đã xây dựng được đội quân có tính kỷ luật cao, có bản lĩnh và trình độ chiến đấu, có trang bị tương đối đồng nhất so với hoàn cảnh lúc bấy giờ.
Đầu năm 1887, Phan Đình Phùng ra Bắc tìm kiếm sự phối hợp, ủng hộ của các sĩ phu và đặt quan hệ với các phong trào đấu tranh đang bùng nổ tại đây. Trước khi đi, cụ Phan đã tin tưởng giao cho Cao Thắng toàn quyền thay mình lãnh đạo cuộc khởi nghĩa, tiếp tục xây dựng căn cứ địa và phát triển lực lượng nghĩa quân để chiến đấu lâu dài. Nhận trọng trách lớn, Cao Thắng quyết định chuyển “đại bản doanh” của cuộc khởi nghĩa từ căn cứ Cồn Chùa lên Thượng Bồng-Hạ Bồng, một nơi có vị trí địa-quân sự hiểm yếu hơn nằm trên tả ngạn sông Ngàn Sâu. Từ đây, nghĩa quân có thể tiến sang Lào, phát triển vào Quảng Bình, ra Thanh-Nghệ, hoặc phát triển xuống miền xuôi một cách thuận lợi. Dưới sự chỉ huy của Cao Thắng, vùng Thượng Bồng-Hạ Bồng nhanh chóng trở thành một căn cứ hoàn chỉnh của cuộc khởi nghĩa Hương Khê.
Sau khi xây dựng hoàn chỉnh căn cứ Thượng Bồng-Hạ Bồng, Cao Thắng cho người ra Bắc mời đón cụ Phan Đình Phùng về tiếp tục lãnh đạo cuộc khởi nghĩa. Cuối năm 1889, cụ Phan Đình Phùng về lại căn cứ Thượng Bồng-Hạ Bồng. Tại đây, hai người đã bàn bạc và thống nhất song song với việc tiếp tục xây dựng, mở rộng căn cứ, cần nhanh chóng phát triển lực lượng nghĩa quân. Để tạo thế trụ bám vững chắc cho căn cứ, Cao Thắng quyết định cho xây dựng một loạt đồn trú, lấy Vụ Quang-Ngàn Trươi làm trung tâm, tạo thành một hệ thống đồn lũy kéo dài từ Thượng Bồng-Hạ Bồng qua Trùng Khê-Trí Khê, lên Vụ Quang-Ngàn Trươi.
Thời kỳ này, trước sự bùng nổ mạnh mẽ của các phong trào đấu tranh chống Pháp ở nhiều địa phương, Phan Đình Phùng đã ra lời hịch kêu gọi các văn thân, sĩ phu yêu nước ở khắp các địa phương hợp sức cùng đánh Pháp. Hưởng ứng lời hịch đó, nhiều văn thân, tổ chức, lực lượng đã tình nguyện sát cánh chiến đấu dưới ngọn cờ của cụ Phan. Lực lượng phát triển hùng mạnh, Phan Đình Phùng quyết định tổ chức chức thành 15 quân thứ và giao cho Cao Thắng làm Tổng chỉ huy chung toàn bộ các quân thứ này.
Cao Thắng là một võ tướng lãnh đạo nghĩa quân, tổ chức xây dựng các căn cứ của nghĩa quân Hương Khê. Ông có nhiều tài, nhiều mưu lược. Điều ông lo nghĩ nhiều nhất là vấn đề vũ khí: “Muốn đánh Tây thì phải có súng giống như của Tây”. Ông nghĩ ra cách chế tạo súng theo lối Tây Phương và trở thành người kỹ sư quân khí đầu tiên của nước Việt Nam. Ban đầu ông đúc được 200 súng hỏa mai, chia toán ra, dùng 1 người bắn, 1 người lắp đạn, làm cho quân thù kinh khiếp trước hỏa lực mới của nghĩa quân.
Nhận thức được súng hỏa mai bắn chậm, ông quyết định phải chế cho được súng trường của Pháp đang dùng. Trong một trận phục kích ở Hương Sơn, Ông diệt được 17 tên giặc, có hai thằng Tây, đoạt 17 khẩu súng và mấy nghìn bạc. Ông tháo súng ra và nghiên cứu cách chế tạo. Ông tập trung thợ rèn đúc súng, đúc cơ bẩm, thợ mộc làm báng súng, thân súng. Những gì không làm được, ông đặt mua từ Xiêm La. Sau vài tháng làm việc ròng rã, ông chế tạo thành công 350 súng trường theo mẫu 1874 của Pháp. Tuy nòng súng thiếu rãnh xoắn, đạn không đi xa bằng, nhưng sức tác hại chẳng kém gì súng Tây.
Cao Thắng không chỉ là một thủ lĩnh quân sự có khả năng nhìn xa trông rộng, có kinh nghiệm trong việc chọn và xây dựng căn cứ đứng chân cho nghĩa quân, có đầu óc kỹ thuật quân sự… mà còn là một nhà cầm quân giỏi, một nhà tổ chức quân sự có tài. Tháng 6-1890, Cao Thắng đích thân chỉ huy nghĩa quân tiến công các đồn Trường Lưu (Can Lộc), Nầm (Hương Sơn); đầu năm 1892 tiến công đồn Tuần Thượng (Kỳ Anh). Để bảo vệ căn cứ từ xa và để gây thanh thế cho nghĩa quân, “dằn mặt” quân địch, Cao Thắng đã đề xuất với cụ Phan Đình Phùng mở rộng phạm vi hoạt động. Được sự đồng ý của cụ Phan, Cao Thắng đích thân chỉ huy nghĩa quân tiến công một loạt đồn bốt địch ở vùng đồng bằng, trong đó có tỉnh lỵ Hà Tĩnh (tháng 8-1892).
Cuối năm 1893, sau khi căn cứ đã được củng cố vững chắc và mở rộng, lực lượng nghĩa quân đã phát triển mạnh và hoạt động gây được thanh thế, Cao Thắng mạnh dạn đệ trình cụ Phan Đình Phùng cho đánh tỉnh lỵ Nghệ An. Một kế hoạch phải nói là rất táo bạo mà theo ông, tiến công tỉnh lỵ Nghệ An không chỉ nhằm mục đích mở rộng địa bàn hoạt động, chủ động tiêu diệt được một bộ phận sinh lực quan trọng của địch trong vùng, gây được tiếng vang… mà còn “hâm nóng”, khuấy động lại phong trào đấu tranh chống Pháp ở một địa bàn từng sôi động vốn đang bị lắng xuống kể từ năm 1891. Cao Thắng cho rằng, nghĩa quân đánh ra Nghệ An lần này cần phải thần tốc, giành thế chủ động ngay từ đầu, không cho địch kịp trở tay. Nếu lần này hạ được thành Nghệ An thì các đạo quân thứ của ta ở Hà Tĩnh và Quảng Bình nhân đó mà nổi lên đánh chiếm và sẽ làm chủ được một vùng rộng lớn. Ý tưởng của Cao Thắng ngay lập tức đã được cụ Phan Đình Phùng chấp thuận.
Tháng 10 năm Quý Tỵ (tháng 11-1893), Cao Thắng đem 1.000 quân tinh nhuệ nhất từ căn cứ Ngàn Trươi tiến xuống đánh chiếm tỉnh lỵ Nghệ An. Ông chia đạo quân của mình làm hai đội: Đội tiên phong do ông trực tiếp chỉ huy cùng với Nguyễn Niên; đội quân hậu bị do Cao Nữu chỉ huy. Dọc đường tiến xuống Vinh, nghĩa quân vừa hành quân, vừa liên tục tiến công, đánh chiếm các đồn địch. Trong trận bao vây, tiến công đồn Nu (Thanh Chương), trong đêm tối, ông bị một viên đạn từ trong đồn bắn ra găm thẳng vào ngực. Nghĩa quân đưa Cao Thắng ra ngoài và nhanh chóng chuyển về Vụ Quang tìm cách chữa trị. Song do vết thương quá hiểm, ông đã không thể qua khỏi. Cao Thắng trút hơi thở cuối cùng vào ngày 14-10 năm Quý Tỵ (tức ngày 21-11-1893), khi vừa mới 29 tuổi.
Sau khi ông Cao Thắng mất, khởi nghĩa Phan Đình Phùng dần dà suy yếu. Bị uy hiếp mạnh, nghĩa quân phải di chuyển lên Vụ Quang – Ngàn Trươi. Ngày 28-12-1895, Phan Đình Phùng bị thương trong khi chỉ huy chiến đấu, rồi mất sau đó. Chủ tướng hy sinh, nghĩa quân tan rã dần, và đến cuối năm 1896 thì chấm dứt hoạt động.
Cao Thắng hy sinh nhưng tinh thần yêu nước, lòng kiên trung của ông vẫn trường tồn cùng lịch sử chống ngoại xâm của dân tộc. Bằng ý chí kiên cường, khả năng cầm quân và tài năng sáng tạo trong khoa học quân sự, Cao Thắng thực sự cho thấy là một vị chỉ huy toàn tài có nhiều đóng góp xuất sắc trong phong trào đấu tranh chống thực dân Pháp xâm lược cuối thế kỷ XIX.