石天麟十四歲時，入見太宗窩闊台，為宿衛。石天麟好學不倦，學習諸國書語。窩闊台命中書令耶律楚材處理庶務，選賢能作為參佐，石天麟在選，賜名蒙古台。蒙古第二次西征，以石天麟為斷事官。元憲宗六年（1256年），派遣石天麟出使海都，被海都拘留，後來邊將劫皇子北安王前往海都之處，住在石天麟寓所。石天麟當時漸漸與其海都執政大臣相親近，告訴他們宗親恩義、臣子逆順禍福的道理，海都聽說後悔悟，于是遣石天麟與北安王同歸元朝。石天麟被拘留二十八年，這時才得以歸還，世祖忽必烈大悅，賞賜很豐厚。拜為中書左丞，兼斷事官。石天麟推辭說：「臣奉使沒有功績，陛下赦免不誅，怎可再任高職。何況臣才識淺薄，年老力衰，豈能任政，恐只留下貽廟堂的羞辱，不敢奉詔。」忽必烈嘉賞他的誠實，褒揚慰勞很久，聽從。有人誣告丞相安童曾經接受海都的官爵，忽必烈大怒，石天麟上奏：「海都實為宗親，偶有逆言，非仇敵可比，安童不拒絕他，是為了解開她的疑心，勸導他以臣順君。」忽必烈的怒火得以消解。江南道觀偶然藏宋朝皇帝遺像，有僧人素與道士交惡，揭發其事，將處以極刑，忽必烈問石天麟，石天麟回答：「遼國帝後銅像在西京現在尚有，沒有聽說有禁令。」事情于是作罷。石天麟七十餘歲，忽必烈將自己的金龍頭杖賜給他，說：「卿年老，出入宮掖，杖此可也。」當時權臣用事，人不敢言。只有石天麟指出其奸，無所顧忌，人們佩服他的忠直。元成宗即位，加榮祿大夫、司徒，大宴玉德殿，召石天麟參加，賜給他御藥，命左右勸他喝酒，頗有醉意，命御輦送他還家。元武宗即位，進平章政事。至大二年（1309年）秋八月卒，時年九十二歲。贈推誠宣力保德翊戴功臣、開府儀同三司、太師、上柱國，追封冀國公，謚忠宣。

其子石珪，官至治書侍御史，轉任樞密副使，再為侍御史，拜河南行中書省右丞，升任榮祿大夫、南台御史中丞，卒。次子石懷都，初襲斷事官，官至刑部尚書、荊湖北道宣慰使。其孫哈藍赤，襲斷事官。