1986年，桂海潮出生在云南省保山市施甸县一个普通家庭。
2005年，以靠前志愿考入北京航空航天大学宇航学院飞行器设计与工程专业。
2008年，桂海潮担任北京奥运会志愿者。
2014年7月，毕业于北京航空航天大学，获工学博士学位。
2014年7月-2016年7月，在加拿大约克大学地球空间科学与工程系从事博士后研究，研究复杂航天器的姿态轨道一体化控制技术。
2016年7月-2017年8月，在加拿大瑞尔森大学航空航天工程系从事博士后研究，研究小天体探测和航天器运动高精度估计技术。
2017年9月，入选北航“卓越百人”青年人才引进计划，进入北航宇航学院从事教学科研工作；同年12月，入选北航“青年拔尖人才支持计划”。
2020年9月，桂海潮从约2500名候选对象中脱颖而出，成为第三批18位预备航天员中的4名载荷专家之一，也是唯一来自高校的载荷专家。
2022年6月，桂海潮入选神舟十六号载人飞行任务乘组。
2023年5月30日，桂海潮作为神舟十六号乘组航天员，执行神舟十六号载人飞行任务，主要负责空间科学实验载荷的在轨操作。
北京时间2023年5月30日9时31分，搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，约10分钟后，神舟十六号载人飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，航天员乘组状态良好，发射取得圆满成功。5月30日18时22分，神舟十六号航天员乘组进驻空间站。
