少時就讀私塾，對四書五經毫無興趣，常遭師責。但他對當地木偶皮影卻十分傾心，方圓十幾公里哪個村莊有燈影會戲，哪里就有袁天霖，是有名的“跟箱轉”。袁天霖看戲，十幾歲就能唱大段的“亂彈”。為了學戲，他去西安，在劇社當“牽象” (拉風匣)、提茶倒水的茶役。他一邊干活，一邊暗中留心觀察演員排練和大凈的臺勢動作，還把唱腔臺詞記得滾瓜爛熟。

一次，劇社演大凈的演員突然發(fā)病，不能演出。無奈之際，袁天霖自告奮勇登臺“救場”，一鳴驚人，在古城西安闖出了名聲。后來他回到甘肅，先后在蘭州文化劇社、武威馬步青的戲班演戲。20世紀40年代，他先后在高桂滋、白海風辦的“精誠”“海嘯”劇團掛牌演出。此間，他唱紅了河西重鎮(zhèn)和西寧等地，可謂名震陜甘青。

袁天霖唱戲純屬好家出身。他的戲大多數是看了別人演出后，自己動腦筋加以改造，形成自己的套路風格。他的包公戲很多，幾乎所有的包公戲都演。他的唱腔，聲若洪鐘，韻味醇厚，吐字清楚，音色優(yōu)美，感情也十分濃郁，被蘭州人譽為“活包公”。其中尤以《鍘美案》《鍘丁勇》為人稱道。袁天霖演戲還十分注重人物的心理刻畫，演起戲來，自己的感情也十分投入。如他在演《鍘美案》時，當皇太后以權威逼包公，使其無可奈何時，他便極為傷感地唱：“秦氏香蓮一聲喚，本相把話說心間，與你紋銀三百兩……”，臺上，他唱地聲淚俱下，臺下，觀眾亦感動地淚掛兩腮。袁天霖不但擅長表演忠烈形象，扮串反角亦能人木三分。在舞臺上他扮演的伯嚭、郭槐等奸佞形象，惟妙惟肖，膾炙人口。

袁天霖在臉譜化妝上也有特色。他畫的包公是甘肅路的粉紅臉膛，使剛正不阿的包公給人以爽朗慈祥之感。他在《茍家灘》中扮王延璋，畫臉譜時更有一絕。他先在手心畫圖，等一出臺，手掌在額頭上輕輕一拍，一只蛤蟆的形象便印于眉宇之間，隨著他皺眉開眼的表演，那只蛤蟆就跟活了一般，引得臺下觀眾掌聲四起。

1949年，甘肅一代秦腔大凈名角袁天霖，英年早逝，終年49歲。