桂海潮于1986年11月出生，曾就读于姚关中心小学、姚关中学（施甸三中）、施甸一中。2005年考入北京航空航天大学宇航学院飞行器设计与工程专业。2014年获工学博士学位。2014年至2017年，在海外从事博士后研究。2017年入选北航“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至今。
在任北京航空航天大学宇航学院特别副研究员、博士生导师期间承担《深空探测导论》《非线性控制理论》等本研课程教学任务。指导硕士研究生、博士研究生10名，已毕业3名。同时发表学术论文50余篇，其中SCI索引论文30余篇，多篇论文发表在航天动力学与控制领域顶刊。多次参加国内外学术会议，获国家发明专利2项，主持科研项目十余项。
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。在此后的2年多时间里，桂海潮又经受了8大类、200余项科目的严格训练和考核，终于为“上天”做好了万全准备。
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，将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。
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