Cao Thắng sinh năm 1864 người thôn Yên Đức, xã Tuần Lễ (nay thuộc xã Sơn Lễ, huyện Hương Sơn, tỉnh Hà Tĩnh). Giặc Pháp xâm lược, ban đầu vào năm 1874 ông tham gia cuộc khởi nghĩa do Trần Quang Cán lãnh đạo, sau sáp nhập vào lực lượng của Trần Tấn, Đặng Như Mai. 

Năm 1885 Phan Đình Phùng hưởng ứng chiếu Cần vương của vua Hàm Nghi khởi nghĩa, thì Cao Thắng cùng với em trai là Cao Nữu, bạn là Nguyễn Kiểu chiêu mộ quân về theo. Ba người chiến đấu xuất sắc, lập được nhiều chiến công, đều được phong là Quản cơ. Khi Phan Đình Phùng ra Bắc liên minh với các thủ lĩnh ở Bắc Kỳ đã giao cho Cao Thắng phát triển lực lượng ở Nghệ – Tĩnh, ông đã cùng Cao Nữu, Nguyễn Niên, Nguyễn Kiểu về ẩn phục trong rừng thuộc làng Lê Đông, huyện Hương Sơn. Từ đây các ông toả đi các huyện chiêu nạp quân sĩ đưa về rừng Lê Đông huấn luyện quân sự. Cao Thắng còn cướp súng giặc làm mẫu để chế tạo ra hàng loạt súng kiểu 1874 của Pháp. Bấy giờ quân Pháp mới đóng đồn ở Hạ Trại, đồn còn đóng tạm, chưa có hào. Cao Thắng, Cao Đạt bàn kế hoạch đánh chụp (đánh úp) để cướp súng. Hai ông đem 40 nghĩa quân, trang bị đoản đao, lợi dụng trời tối đột nhập vào đồn, giết và làm bị thương hơn 20 tên, cướp được 24 khẩu súng và mấy ngàn bạc. 

Nhưng muốn đánh thắng giặc thì phải có nhiều súng vì thế phải chế tạo lấy súng đạn. Cao Thắng cho người về làng rèn Trung Lương, huyện Can Lộc đưa 16 thợ rèn giỏi về căn cứ tìm cách chế tạo ra súng đạn. Mặc dù súng do các ông chế tạo không hoàn hảo song cũng có thể dùng được. Thâu ngày thâu đêm các ông làm gấp được 500 khẩu súng (Theo báo cáo của Lenormaud: “Có đến 1200-1500 khẩu súng do Cao Thắng sản xuất đã được nghĩa quân Phan Đình Phùng sử dụng năm 1895. Nếu kể cả súng bị huỷ hoại do các xưởng chế tạo của Cao Thắng bị quân Pháp tiến đánh thì có thể đã có nhiều ngàn súng kiểu Tây được sản xuất như vậy rồi”).

   Từ khi chế được một ít súng, thanh thế của nghĩa quân Cần vương ở Nghệ Tĩnh ngày một mạnh.

   Cao Thắng bố trí quân chặn đánh quân Pháp và quân triều đình ở Tĩnh Di. Đến bốn giờ chiều Cao Thắng thấy quân Pháp và quân triều đình đã mệt mỏi và có ý khinh thường, dàn quân ra mai phục ở giữa rãnh đồng khoai. Ông lấy đội quân tính nhuệ ra khỏi tầm đạn của địch. đi vòng ra phía cạnh sườn phải của quân địch. Đội quân của chính phủ đương khi bất ý, nghe thấy tiếng súng liên thanh đổ vào cạnh sườn mình, nghe thấy tiếng nổ hình như ở bên lỗ tai. Đột nhiên tiếng người kêu cứu, tiếng người rên thở rầm rĩ cả lên. Quân chính phủ bị chết và bị thương lên đến hơn 50 người. Quân sĩ lộn xộn, tinh thần chiến đấu không còn, thấy vậy mấy viên mẫu binh (sĩ quan Pháp) cho thổi kèn, quân sĩ vội vàng tháo lui chẳng theo hàng lớp gì.

   “Thấy quân địch lộn xộn rút lui nên quân ở trận tuyến chính cũng nhẩy lên tấn công. Đạn ở mặt trước bắn sang, đạn ở mặt sườn bắn lại, hai bên đều giáp công, quân chính phủ rút lui rất vất vả.

   Nhờ có trận đánh đó lòng sốt sắng của nhân dân lại hưởng ứng lên nhiều và danh tiếng ông Cao Tất Thắng cũng thêm lừng lẫy” (Nguyễn Phan Quang, bài Cao Thắng chế tạo súng kiểu Tây. Nghiên cứu lịch sử số 291 (3, 4/1997). Nguyễn Phan Quang chỉ viết trận này xảy ra vào năm Kỷ Sửu (1889), không viết rõ ngày tháng).

   Năm 1892, Cao Thắng dùng mưu bắt sống Tuần vũ Đinh Nho Quang làm chấn động dư luận Nghệ Tĩnh.

   Ngày 14 tháng 10 năm Quý Tỵ, tức ngày 21 tháng 11 năm 1893 , Cao Thắng tình nguyện dẫn đội quân cảm tử tấn công xuống Nghệ An, đốt phá nơi đóng quân, kho tàng của địch để gây thanh thế cho nghĩa quân. Sau khi chiếm được mấy đồn, đến đồn Nu, nay thuộc xã Thanh Xuân huyện Thanh Chương, tỉnh Nghệ An, ông hăng hái dẫn đầu đoàn nghĩa quân xông lên bị tên Phiến bắn ông bị trọng thương rồi hi sinh năm ông mới 29 tuổi. Tại làng Khê Thượng, huyện Hương Khê, Hà Tĩnh nhân dân lập đền thờ Cao Thắng.