嘉靖二十九年(1550年)登進(jìn)士第，授南京工部主事。嘉靖三十四年(1555年)十月，任職滿6年進(jìn)京考績(jī)，適遇兵部員外郎楊繼盛上疏彈劾嚴(yán)嵩“十大罪”，遭到嚴(yán)嵩的陷害而被斬于西市。當(dāng)時(shí)，沒人敢表示同情，朱天球激于義憤，約同在京任職的薛天華、董傳策和楊豫孫親臨西市痛哭哀悼，時(shí)人稱為“四君子”，并會(huì)同刑部郎中王世貞為收埋遺體，料理后事。朱天球考績(jī)后，轉(zhuǎn)南京兵部主事，隨升南京禮部郎中。不久，擢湖廣按察司僉事，分守湖南道。因母親逝世，歸家服喪后，起補(bǔ)廣東屯鹽僉事，移督廣西學(xué)政。不久，升浙東分守參議，又提督山東學(xué)政，在山東立四隅社學(xué)，制定講課文章和《家禮》、《易經(jīng)簡(jiǎn)編》等頒布傳習(xí)，以除去浮華，崇尚雅正，來(lái)衡量文章。嘉靖末，擢南京太仆寺少卿。隆慶元年(1567年)，穆宗即位，朱天球入京朝賀。翌年正月，給事中石星上疏批評(píng)穆宗長(zhǎng)夜縱飲，朝政荒廢，激怒穆宗皇帝，慘遭杖刑，被黜為民。朱天球不顧個(gè)人安危，上疏請(qǐng)求寬宥石星之罪，言辭激烈而懇切。朝臣交相議論說(shuō)：“朱君先前是踏虎尾(指冒險(xiǎn)至刑場(chǎng)哀吊楊繼盛事)，當(dāng)今則是批龍頷了，若不是忠烈丈夫，誰(shuí)敢這樣?”因此，朱天球被調(diào)任外官，就辭官回鄉(xiāng)。歸家后，建宅在縣城南郊朱厝村，家居10多年不入縣城，知縣房寰、朱廷益等常到他家中拜訪。

萬(wàn)歷七年(1579年)七月，朱天球應(yīng)知縣朱廷益的聘請(qǐng)，偕同在家閑住的本縣縉紳王應(yīng)顯、林紹、林偕春等續(xù)修《漳浦縣志》，對(duì)林梅首纂的縣志加以補(bǔ)充、增輯，使更趨完整、詳盡。萬(wàn)歷中，朝廷認(rèn)為他是三朝老臣，起用為廣東按察副使，隨即內(nèi)調(diào)，升為南京太常寺少卿，歷任南京太仆、大理二寺卿，南刑部右侍郎，改工部左侍郎。萬(wàn)歷十九年(1591年)，南京都察院缺掌院，朝臣評(píng)議朱天球具有風(fēng)度品格和衡量裁斷能力，推薦他任南京都御史。不久，升南京工部尚書。萬(wàn)歷二十一年(1593年)，在評(píng)定僚屬政績(jī)時(shí)，跟吏部尚書意見互有出入，因鯁直遭到怨忌者的非議，就上疏乞請(qǐng)致仕，神宗溫旨慰留，他再三請(qǐng)求，終于獲準(zhǔn)。家居18年，與戶部侍郎盧維禎等在梁山結(jié)社，吟詩(shī)作賦，徜徉山水。萬(wàn)歷三十八(1610年)逝世，享壽82歲，贈(zèng)太子少保，賜祭葬。朱天球?yàn)槿饲f重而正派，言寡而中肯，遇大事頃刻立決，慎交游而重情誼，生活恬淡樸素，人多敬慕其高潔的情操。

萬(wàn)歷二年(1574年)撰《云霄復(fù)公溪泥泊記》

萬(wàn)歷三十二和三十三年(1604～1605年)撰寫《奠龍脈記》和《陶公惠鰲德政碑記》

萬(wàn)歷三十七年(1609年)撰寫《黃公立游孝子祭田碑記》等文章傳于世

他的著作有詩(shī)文集《湛園存稿》若干卷。