한국과학기술원(KAIST) 전기및전기공학과 교수로 신경과학과 신경공학, 사회신경과학, 인공 지능 등의 분야를 연구하고 있다. 독일 다름슈타트 공과 대학을 졸업하고 막스플랑크연구소에서 뇌과학으로 박사학위를 받았고, 미국 MIT에서 박사후과정을 밟았으며, 일본 이화학연구소 연구원, 미국 미네소타대학교 조교수, 보스턴대학교 부교수를 역임했다.

《중앙SUNDAY》 인기 연재글이 『빅 퀘스천』으로 출간되어 베스트셀러가 되었고, 『인간 vs. 기계』는 AI 시대 방향을 제시해 주는 화제의 책이 되었다. 이 밖에 『이상한 나라의 뇌과학』, 『내 머릿속에선 무슨 일이 벌어지고 있을까』 등의 저서가 있다.

《조선일보》에 뇌과학 칼럼 「김대식 교수의 브레인 스토리」를 연재했고, KBS에서 「장영실쇼」를 진행했으며, 현재 인문, 과학, 예술 분야 혁신적인 교육 프로그램을 기획하고 있는 건명원(建明苑)에서 과학을 맡고 있다.