1947年11月20日，柴天佑出生于甘肃省兰州市。

1965年，柴天佑从西北师范大学附属中学毕业。

1974年7月，柴天佑加入中国共产党，成为一名党员。

1978年3月，柴天佑进入东北电力学院热工仪表自动化专业学习。

1980年9月，柴天佑获得学士学位。同年考取东北工学院工业自动化专业研究生，先后获得硕士学位（1983年5月）、博士学位（1985年7月）。

1985年7月，柴天佑从东北工学院博士毕业后，留校任教，先后担任教授（1988年6月晋升）、博士生导师（1990年1月被聘）。

1988年2月，柴天佑作为访问学者，前往澳大利亚国立大学学习了8个月。

1993年1月，柴天佑先后前往日本上智大学、澳大利亚维多利亚工学院（至1994年1月）。

1997年1月，柴天佑担任国家冶金自动化工程技术研究中心（沈阳）主任。

2003年，柴天佑当选中国工程院院士，隶属于信息与电子工程学部。

2006年1月，柴天佑担任流程工业综合自动化国家重点实验室（东北大学）主任。

2006年1月，柴天佑前往加拿大肯考迪亚大学研修。

2008年1月，柴天佑被选为美国电气电子工程师学会（IEEE）会士（Fellow）。

2009年1月，柴天佑被选为国际自动控制联合会（IFAC）会士（Fellow）。

2010年，柴天佑被选为英国皇家工程院Distinguished Visiting Fellowship。同年担任国家自然科学基金委员会信息科学部主任。

2011年1月，柴天佑担任东北大学学术委员会主任。同年被选为日本学术振兴协会（JSPS）Invitation Fellowship。

2022年3月18日，柴天佑担任四川大学智能科学与技术学院建设咨询专家。