為台獨運動最神秘傳奇的人物之一，戒嚴時期，他多次出入台灣，從事秘密活動，國民黨始終抓不到他。
陳南天在日本留學時，結識史明，後來前往美國哥倫比亞大學攻讀博士，加入台獨聯盟，後來他和王康陸成為台獨聯盟主席張燦鍙不可或缺的左右手。許多台獨聯盟的活動，組織、謀劃、策動都有他的身影。 1978 年決定辭去電腦公司主管的職務，成為台獨聯盟少數的專職，雖然薪水少了 3/4 亦不為苦，妻子惠子也相當支持他的決定。
1979 年台美斷交、美麗島事件前後，發生許多真假不一的爆炸案被國民黨認為是台獨聯盟所指使，「知悉」某些真實事件細節的陳南天和當時的獨盟主席張燦鍙，因而被國民黨通緝。
台獨聯盟黑名單闖關期間，陳南天前後出入臺灣三次，探路也為了保障日後同志們的安全。亦曾多次與陳菊、葉菊蘭、江鵬堅等民進黨人士會面。陳南天直到 1993 年 4 月 3 日才回台，是國民黨黑名單解禁的倒數第二人，最後一位則是曾為台獨聯盟盟員的刺蔣案要角黃文雄。
台獨聯盟遷台後，陳南天擔任過基隆的代理市長，也擔任過民間公司的董事長，2011 年黃昭堂過世後，於 2012 被推選為台獨聯盟主席至今。
