독일 막스플랑크 뇌연구소에서 석박사 학위를 받은 뒤 미국 매사추세츠공과대학MIT에서 박사후과정을 보냈으며 일본 이화학연구소 연구원, 미국 미네소타대학교 조교수, 보스턴대학교 부교수를 역임했다. 지금은 한국과학기술원KAIST 전기 및 전자공학부 교수로 일하고 있다. 주요 연구 분야는 뇌과학, 뇌공학, 인공지능 등으로 뇌과학의 최신 연구 성과와 인문학 지식을 바탕으로 인류의 과거, 현재, 미래를 성찰해왔다. 쓴 책으로는 『메타버스 사피엔스』, 『당신의 뇌, 미래의 뇌』, 『김대식의 인간 vs 기계』, 『김대식의 빅퀘스천』, 『내 머릿속에서는 무슨 일이 벌어지고 있을까』 등이 있다.