高行周，字尚质，幽州人。出生于妫州怀戎军的雕窠里。曾祖父高顺厉，一生在怀戎军任职。父亲高思继，有兄弟三人，都英勇豪健有武略，名声传遍朔方。后唐武皇平定幽州时，上表推荐刘仁恭做统帅，又留下军队来戍守幽州。以高思继的哥哥担任先锋都将、妫州刺史，高思继提任中军总将、顺州刺史，高思继的弟弟担任后军都将，兄弟分别掌领燕地军队。部下士卒，都是山北的豪杰，刘仁恭非常畏惧他们。后唐武皇准备南归以前，私下对刘仁恭说：“高先锋兄弟三人，势力覆盖州府，将成为燕地后患的，一定是这一家人，你要善于谋划。”过了一段时间，来自太原的戍守部队放肆横行，高思继兄弟们以军法制裁他们，杀死很多人。武皇大怒，责备刘仁恭，刘仁恭就状告高氏兄弟，于是高氏三兄弟全被杀害。刘仁恭又以高思继哥哥的儿子高行圭做牙将，高氏兄弟的儿子都收在帐营中做事，优厚地对待他们以安定他们的心。这时高行周才十多岁，也担任一职，在刘仁恭身边做事。
到后唐庄宗收复燕地，将高行周隶归于明宗帐下，经常与后唐末帝分别率领牙兵。明宗征伐燕地时，高行周领兵随行。同乡人赵德钧对明宗说“：高行周内心很是谨慎忠厚，必将享有高贵的地位。”后梁大将刘寻阝占据莘地时，与太原部队对阵，一天到晚接战。曾有一天，两军列成战阵，元行钦被敌军追击，一剑砍中了他的脸，而血战仍未停止，高行周带着手下精锐骑兵突进敌人阵营而解了围，元行钦得以逃脱。庄宗这才信任高行周，召来行周抚爱慰问，奖赏功劳，想招收行周到自己帐下，又考虑自己已经从明宗帐下夺过了元行钦，再要夺过高行周，恐怕将伤了明宗的感情，就暗地里叫人以利禄诱招他。高行周推辞说“：总管用人，也是为了国家，服事总管就像服事王一样。我家兄弟们，脱离灾难再获生命，是蒙受了总管的厚恩，能忍心背离他吗？”到两军驻扎在黄河岸边时，侦知后梁军队从汴州进了杨村寨，明宗清晨到斗门，布置埋伏下的兵将截击梁军，而寡不敌众，反被梁军占了上风。这时刀光剑影，形势非常危急。高行周听到后，出动骑兵横冲攻击梁军，才使明宗伏兵解了围。明宗袭击郓州时，高行周当先锋。恰逢夜晚下暴雨，士兵都不愿前进，高行周说：“这是上天帮助，他们一定没有准备。”当夜，渡过黄河攻进郓州东城，到天亮时就平定了郓州城。
庄宗平定黄河以南，高行周接连迁升到检校太保，兼任端州刺史。后唐同光末年，出任镇守绛州。后唐明宗即皇帝位，特别对高行周委以重任和厚待他。天成年间，跟从王晏球包围定州，击败王都，擒获秃馁，都立下战功。贼寇平定后，调任颍州团练使。长兴初年(930)，因为北部与契丹相邻接，高行周被委用做振武军节度使。第二年，因为黄河西部发生战争，被调任镇守延安。清泰初年(934)，改任潞州节度使，晋高祖石敬瑭在太原称帝，唐末帝命令张敬达征讨他，高行周和符彦卿担任左右排阵使。契丹国主进入中原援助太原晋军时，高行周和符彦卿领骑兵阻击他，不久被契丹人打败，于是高行周和张敬达据守晋安寨，几个月都不见救兵到来。杨光远想谋害张敬达，高行周知悉这一阴谋，领着勇壮武士保护敬达。敬达性情憨厚，不知高行周是在暗中保护自己，对别人说“：行周总是跟在我后面，是什么意思呀？”因此行周不敢再那样，张敬达就被杨光远杀害了。
晋高祖进入西京洛阳，命令高行周回到藩镇，加封同平章事，晋高祖建都汴京，以行周担任西京留守，不久，调到邺都。晋高祖驾临邺都时，碰上安从进叛乱，就任命高行周为襄州行营都部署。第二年秋天，平定汉南。晋少帝即位，兼任侍中，调任镇守睢阳。开运初年(944)，跟从少帝到澶渊，在黄河岸边阻击敌人。车驾回京后，代替景延广担任侍卫亲军都指挥使，调任郓州节度使。当时李彦韬任侍卫都虞候，事情都由他决定。行周虽然典掌禁兵，常常无所事事，朝拜之后回到家中，门庭冷落，客人朋友来往，也只斟满酒杯畅饮而已。接着改任归德军节度使，以李守贞代掌兵权，让高行周回到藩镇。到契丹国主死在栾城，契丹将领萧翰立许王李从益掌管契丹在南方的军国事务，李从益冒死派人召请高行周，行周托病推辞，过后对别人说“：衰落的世代难以辅佐，更何况契丹这种儿戏呢！”
汉高祖刘知远进入汴京后，加封高行周为守太傅，兼中书令，代替李守贞做天平节度使。杜重威占据邺都反叛时，汉高祖以高行周任招讨使，统兵讨伐他。邺都平定后，被授与邺都留守，加封守太尉，进临清王爵位。乾佑年间，入朝拜见皇帝，加封守太师，进封为邺王，又授与天平军节度使，改封为齐王。周太祖登上帝位时，加封为尚书令，增加食邑到一万七千户。太祖因为行周是年高老将，诏令恩赐不称行周名字，只称呼他的王位。慕容彦超占据兖州反叛时，太祖御驾亲征，行周奉侍圣驾，进酒上菜，总是亲自殷勤服侍，太祖待他更加优厚。广顺二年(952)秋天，因病在任上去世，享年六十八岁。朝廷加倍赠送丧资，册封为尚书令，追封为秦王，谥号叫武懿。