Gotthilf Heinrich von Schubert besucht Schulen in Hohenstein, Lichtenstein, Greiz und 1797/98 das Gymnasium in Weimar. Dort findet er über den Schulfreund Emil Herder (1783-1855) Anschluss an dessen Vater Johann Gottfried Herder (1744-1803), dessen Schriften Schubert prägen. 1799 nimmt er in Leipzig ein Studium zunächst der Theologie, dann der Medizin auf, welches er 1801 in Jena fortsetzt. Hier knüpft er freundschaftliche Kontakte zu Friedrich August Köthe (1781-1850), Friedrich Gottlob Wetzel (1779-1819) und seinen Lehrern Johann Wilhelm Ritter und Friedrich Wilhelm Joseph Schelling (1775-1854).

Schubert wird 1803 mit einer Arbeit über galvanische Therapie bei angeborener Taubheit promoviert und praktiziert anschließend als Arzt in Altenberg (Erzgebirge). Daneben verfasst er wissenschaftliche und literarische Arbeiten; 1804 erscheint der zweibändige Roman Die Kirche und die Götter, der sich an Werken von Ludwig Tieck und Novalis orientiert. 1805/06 studiert Schubert an der Freiberger Bergakademie bei Abraham Gottlob Werner (1750-1817) und siedelt 1806 nach Dresden über, wo er im Hause des Malers Gerhard von Kügelgen (1772-1820) wohnt und u.a. Caspar David Friedrich, Friedrich und August Wilhelm Schlegel, Adam Müller und Heinrich von Kleist kennenlernt.

Im Winter 1807/08 hält er öffentliche Vorlesungen über Ansichten von der Nachtseite der Naturwissenschaft, die wesentlich zu seiner Bekanntheit beitragen. Auf Vermittlung von Schelling erhält Schubert 1809 die Rektorenstelle an der Realschule in Nürnberg. Er kommt in Kontakt mit Vertretern der „Erweckungsbewegung“ und wendet sich dem Pietismus zu. In Nürnberg lernt er auch Johann Arnold Kanne und Georg Wilhelm Friedrich Hegel kennen, den Rektor des dortigen Gymnasiums, den Schubert bereits während seines Studiums in Jena gehört hat. Mit Franz von Baader (1765-1841) betreibt Schubert ein intensives Quellenstudium mystischer Texte. Kurz vor der Schließung der Realschule nimmt Schubert 1816 die Stelle eines Erziehers im Hause Großherzog Friedrich Ludwigs von Mecklenburg-Schwerin in Ludwigslust an.

1819 folgt er einem Ruf auf eine Professur für Naturgeschichte an der Universität Erlangen, wo er im freundschaftlichen Austausch mit Christian Krafft, Veit Engelhardt, Friedrich Rückert und August von Platen steht. 1827 übernimmt er an der neu eingerichteten Universität München eine Professur für Allgemeine Naturgeschichte. In der Folge leitet Schubert die zoologische Sammlung und wirkt als Erzieher des späteren Königs Maximilian II. Nach seiner Emeritierung 1853 lebt er auf Gut Laufzorn, das seinem Schwiegersohn gehört.

Schuberts Werke sind von der romantischen, organischen Deutung der Natur geprägt und stark von Schellings Naturphilosophie beeinflusst, dem auch die Autobiographie gewidmet ist. Schubert gewinnt mit Schriften zum Tierischen Magnetismus, Hellsehen, Somnambulismus, Traum und zur Naturphilosophie Einfluss auf die Literatur und Psychologie der Romantik. Jean Paul, Heinrich von Kleist, E. T. A. Hoffmann, Justinus Kerner, auch Goethe und Friedrich Hebbel äußern sich zustimmend zu Schuberts Werk, Lorenz Oken kritisch. Schubert distanziert sich nach dem Anschluss an die Erweckungsbewegung von seinen früheren Schriften, die er teilweise mehrfach umarbeitet. Dennoch sind es gerade diese Schriften, die bis ins 20. Jahrhundert weiterwirken. Sigmund Freud und Carl Gustav Jung beziehen sich noch auf die Symbolik des Traumes, Ludwig Klages verwendet Aspekte der Psychologie und Naturphilosophie.