1929年春，董天知考入北平弘达学院读书，改名董旭生。1929年秋，他加入共产党员外围组织鏖尔读书会，在党组织的领导下组织进步青年阅读和研究马列著作，出版不定期刊物《鏖尔》《转变》，并秘密编写、散发革命传单。1930年夏，加入共青团，不久即任学院团支部委员。1931年春，担任共青团北平市委组织干事兼儿童局书记，参加北方“左联”，主持出版《好孩子》等半公开进步刊物，组织儿童阅读，并向他们传播革命思想。

1931年夏，中共北平党组织被破坏，董天知于6月30日被捕，判刑5年，扣押在北平草岚子监狱（后改名为北平军人反省分院）。董天知在狱中，和殷鉴、薄一波、张漫萍、杨献珍等人一道，同敌人进行了不屈不挠的斗争。1932年，狱中中共支部建立，他积极参加党支部组织，负责共青团工作，先后任团小组组长、团支部书记。同年转为中国共产党党员。在狱中党支部的领导下，董天知和其他共产党员一起，经受了严峻的考验，表现出对党无限忠诚，对共产主义事业无比坚定的革命信念，展现了他毫不畏惧、决不动摇的革命英雄主义气概。

1936年4月，中共中央北方局作出营救关押在北平军人反省分院中长期坚持斗争的一批党员出狱的决定。经过艰苦细致的工作，董天知和薄一波等9名同志于9月14日第一批出狱。他们一起奔赴山西太原，开展抗日救亡工作。

1936年10月，北方局决定，由薄一波、杨献珍、董天知、韩钧等组成中共山西省公开工作委员会，专门做阎锡山及上层统一战线工作。董天知到太原后，便参加牺牲救国同盟会（简称“牺盟会”）的领导工作，任执行委员。后又当选为抗敌救亡先锋队队长，主办各种干部训练机构，吸收各地抗日青年，培养军政干部。在训练期间，董天知注意大量发展牺盟会会员，并让先进分子加入中国共产党。在牺盟会工作期间，董天知为建立抗日武装、发展壮大抗日民族统一战线做了大量工作。

1936年12月，董天知提出建立抗日新军的建议，他说：“日本人来了，不成立一支以进步思想武装起来的抗日新军，是不足以抵抗日本人的。”为了推动和争取阎锡山抗战，北方局决定由山西省公开工作委员会帮助阎锡山创建新军，即山西青年抗敌决死队（简称“决死队”）。1937年年底，董天知任山西青年抗敌决死队第三纵队政治部主任，并担任军政委员会书记，率部不断打击日本侵略者，成为晋南的一支抗日劲旅。

在决死队中，阎锡山顽固派与革命派之间不断发生摩擦。董天知既注意利用旧军官，又在实际斗争中培养与提拔青年骨干。他在反逆流斗争中做了大量的组织工作与思想工作，显示了他的组织才能和对党、对人民无限忠诚的高尚品德。

1939年冬，第一次反共高潮到来，阎锡山发动“十二月政变”，进攻晋西的八路军独立支队及决死队第二纵队和晋东南的决死队第三纵队，不少革命骨干惨遭杀害。董天知临危不惧，力挽狂澜，率部冲出国民党顽军包围，收容被欺骗裹挟而又幡然醒悟的战士，重新组建决死队第三纵队。1940年3月，决死队第三纵队重建，董天知任政委，部队编入八路军第一二九师。董天知指挥部队在晋东南地区纵横驰骋，抗击日伪，立下许多战功。

1940年8月，八路军发动百团大战。董天知奉命率领决死队第三纵队参战，任务是拔掉潞城、黄碾、微子镇3个据点，对潞（城）长（治）地区实行大规模破击。19日下午，他在出发前召开的干部会议上提出了战斗的竞赛口号：要争取前进第一，不要落后倒退一步，要以胜利的战斗，狠狠打击日军。全体干部深受鼓舞，个个精神振奋。

8月20日拂晓，董天知率部行军至潞城县北的王郭庄村时，被日军包围。他马上命令部队迅速占领左、右两翼山头，自己带领警卫队立即抢占制高点，从正面阻击敌人，掩护主力从东北方向突围。在日军猛烈炮火攻击下，董天知镇定自若，沉着指挥，28名警卫战士英勇顽强，奋勇杀敌，在长达4小时的战斗中，多次打退敌人七倍于我的冲锋，胜利完成掩护任务。在撤退途中，董天知左臂连中数弹仍坚持战斗。最后与敌人白刃肉搏，以重伤之臂毙敌数人。在与敌激战中，他连中三弹，与警卫员及28名警卫战士一起全部壮烈牺牲，年仅29岁。

为了怀念董天知，国共统一战线时期的《牺牲救国》周报出版了《纪念董天知同志特辑》，中共中央北方局主办的《党内生活》《新中华报》和《新华日报》（华北版）等报刊均出版了纪念董天知专栏，高度评价了董天知为革命事业作出的贡献。2014年，董天知被列入民政部公布的第一批“300名著名抗日英烈和英雄群体”名录。