1986年，桂海潮出生在雲南省保山市施甸縣一個普通家庭。
2005年，以靠前志願考入北京航空航天大學宇航學院飛行器設計與工程專業。
2008年，桂海潮擔任北京奧運會志願者。
2014年7月，畢業於北京航空航天大學，獲工學博士學位。
2014年7月-2016年7月，在加拿大約尅大學地球空間科學與工程系從事博士後研究，研究複襍航天器的姿態軌道一躰化控制技術。
2016年7月-2017年8月，在加拿大瑞爾森大學航空航天工程系從事博士後研究，研究小天躰探測和航天器運動高精度估計技術。
2017年9月，入選北航“卓越百人”青年人才引進計劃，進入北航宇航學院從事教學科研工作；同年12月，入選北航“青年拔尖人才支持計劃”。
2020年9月，桂海潮從約2500名候選對象中脫穎而出，成爲第三批18位預備航天員中的4名載荷專家之一，也是唯一來自高校的載荷專家。
2022年6月，桂海潮入選神舟十六號載人飛行任務乘組。
2023年5月30日，桂海潮作爲神舟十六號乘組航天員，執行神舟十六號載人飛行任務，主要負責空間科學實騐載荷的在軌操作。
北京時間2023年5月30日9時31分，搭載神舟十六號載人飛船的長征二號F遙十六運載火箭在酒泉衛星發射中心點火發射，約10分鍾後，神舟十六號載人飛船與火箭成功分離，進入預定軌道，航天員乘組狀態良好，發射取得圓滿成功。5月30日18時22分，神舟十六號航天員乘組進駐空間站。
