金桂元生于庆尚北道荣州。先后毕业于日本早稻田大学、延禧大学、美军政厅军事英语学校、韩国陆军士官学校。历任炮兵团副团长、炮兵学校校长、炮兵司令部司令、师长。1957年晋升少将，同年入美国陆军指挥参谋学院。1960年任陆军大学校长、第三军管区司令。后任第五军军长。1965年任第一集团军司令，并任陆军参谋次长。1966年任陆军参谋总长，晋升上将。1969年转入预备役，就任第五任韩国中央情报部部长（现韩国情报院）。1971年担任韩国驻台湾大使。1978年任朴正熙总统的秘书室长。1979年10月26日时任中央情报部部长金载圭在宫井洞宴会中刺杀朴正熙时，金桂元也在现场并目睹了事情发生全过程。全斗焕政变上台后认定他是金载圭的同谋，将他和金载圭一同进行审判。但最终由于证据不足只判处他无期徒刑。1982年获释。1988年正式恢复名誉及军衔。

金桂元在準将军衔时

担任陆军参谋总长时的金桂元上将

2016年12月3日，金桂元因年老体衰去世，享年93岁。

金桂元为人平和、对朴正熙非常忠顺。朴正熙正是看中了他这一点才不断提拔他并最终任命他做自己的重要助手——总统秘书室长，即自己的首席秘书。但是事实证明金桂元能力平平、也没什幺胆识，他的前任秘书室长金正濂是经济专家，而金桂元却对政治经济并不擅长，只是老老实实执行朴正熙的命令。朴正熙在世时他就对车智澈的专权行径一味容忍退让，使得理应成为总统处理政务重要部门的总统秘书室还不如车智澈的警卫室权势大。金载圭刺杀朴正熙和车智澈后，金桂元手足无措，只是盲目按照金载圭的要求行事。稍微冷静后也只是把事情真相通知代总统崔圭夏和参谋总长郑升和，把控制时局这个烫手山芋扔给他们来处理。结果郑崔也是首施两端，最后这一大帮人全部落入全斗焕手里，被关押、软禁或是被迫退出政坛，在政治生命的黄金时间失去了对时局的主导。
金桂元和金载圭私交很好，两人在韩国陆军士官学校时是同期同学。金载圭年轻时有一次和金桂元一起开车出行，由于金载圭酒后驾车出了事故，金载圭自己受了重伤，幸亏受了轻伤的金桂元把他从车里救出来才保住了一条性命。金桂元退役时朴正熙让他当中央情报部长，没当两年就遭到议员们的反对，只好又把他派到台湾任大使（等于闲置）。这个职位一当就是7年，最后还是金载圭在朴正熙面前进言才使他有机会调回国，而且直接就做到了总统秘书室长的位子。因此当金载圭事先透露自己要干掉车智澈的想法时，金桂元并没有任何反对并默认了金载圭的行动。

朴正熙、朴槿惠和金桂元在一起

金桂元(左)和金载圭被押到现场还原刺杀过程

金桂元出庭受审

金桂元接受庭讯

朴正熙遇刺后第一时间，金桂元将朴正熙的遗体送到医院停放并通知了国务总理崔圭夏及主要内阁成员。然后受崔圭夏之託，由他向朴正熙之女朴槿惠告知了朴正熙遇刺的噩耗。

金桂元于1988年恢复了预备役上将的军衔，但是韩国军方以申请退休金时限已过为由取消了他的养老金。他晚年生活据说一直比较清苦。

金桂元晚年

2016年12月3日，因年老体衰去世，享年93岁。