Родился 13 (25) января 1845 года в Нижнем Новгороде.

В 1861 году окончил с золотой медалью Ставропольскую мужскую гимназию и поступил на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета, где сблизился с революционно настроенными студентами «ишутинцами». В студенческие годы активного участия в революционной деятельности не принимал.

В 1866 году окончил университет. В 1867 году получил степень кандидата наук, остался жить в Санкт-Петербурге, от научной и служебной карьеры отказался.

В 1866 году впервые заключён на два месяца под стражу в Петропавловскую крепость в ходе широкой кампании арестов, последовавшей за покушением революционера-террориста Дмитрия Каракозова на императора Александра II. Освобождён за отсутствием улик.

В 1867 году нелегально выехал в Италию с намерением присоединиться к отрядам волонтёров Джузеппе Гарибальди, но, прибыв на место уже после поражения повстанцев, вернулся на родину.

По возвращении в Санкт-Петербург создал революционное «Рублёвое общество» для изучения экономики страны, быта народа и его способности восприятия идей социализма, а также распространения революционной литературы. За эту деятельность в январе 1868 года был арестован и после восьми месяцев заключения в Петропавловской тюрьме сослан в Ставрополь-Кавказский под надзор родителей.

Находясь в ссылке с 1869 года, по отцовской протекции стал чиновником особых поручений при местном губернаторе. В свободное от работы время занимался общественно-просветительской деятельностью, изучал труды Карла Маркса. В том же году был арестован вследствие обнаружения его письма при обыске у одного из привлечённых по так называемому «нечаевскому делу». Бежал с военной гауптвахты и перешёл на нелегальное положение.

В 1870 году организовал побег из ссылки за границу Петра Лаврова, передав ему свой заграничный паспорт, а затем, получив себе паспорт на чужое имя, сам эмигрировал в Париж, где вступил в ряды Первого Интернационала. Позднее в том же году приехал в Швейцарию для разоблачения «иезуитских» действий Сергея Нечаева.

В Швейцарии предпринял безуспешную попытку сплотить русскую революционную эмиграцию. За границей начал перевод первого тома «Капитала» Карла Маркса. Летом 1870 года уехал в Англию, где лично познакомился с К. Марксом; в сентябре того же года был введён там в состав Генерального совета I Интернационала. Придя к убеждению, что объединить разрозненные русские революционные силы сможет лишь авторитетный лидер Николай Чернышевский, зимой 1870 года вернулся в Россию и направился в Иркутск, чтобы освободить его из ссылки. В 1871 году эти намерения были раскрыты и пресечены заключением. Дважды неудачно бежал из заключения. В 1873 году в Иркутске во время судебного перерыва по делу о его побеге дерзко сбежал от конвоя, укрывшись в тайге. Добрался до Санкт-Петербурга, откуда выехал за границу, где занялся переводческой и литературной деятельностью.

Переехал в Париж, где жил по документам английского подданного Барта. Несколько раз нелегально посещал Россию для участия в революционной борьбе. В 1879 году в очередной раз приехал в Россию, но через шесть дней был арестован и сослан в Ташкент, где восемь месяцев жил в доме своих знакомых Ошаниных, на улице Шелковичной.

Позднее ссылка в Ташкент заменена ссылкой в Вологду, откуда в 1883 году Лопатин бежал сначала в Париж, а затем в Лондон.

В 1883 году вернулся в Санкт-Петербург. В 1884 году примкнул к «Народной воле» и в качестве члена новой Распорядительной комиссии стал вести по всей стране активную работу по объединению разрозненных сил этой запрещённой организации. Ему удалось объединить отдельные группы, усилить их работу и организовать убийство жандармского полковника Георгия Судейкина 16 декабря 1883 года. 6 октября 1884 года Герман Лопатин был арестован. Найденные при нём документы и записи позволили раскрыть всю сеть революционной организации. Дело народовольцев, известное как «Процесс двадцати одного» или «лопатинское дело», закончилось в 1887 году. Г. А. Лопатин был приговорён к смертной казни. Позднее наказание было заменено на пожизненную каторгу, которую он отбывал в Шлиссельбургской крепости.

В октябре 1905 года был освобождён по амнистии, проживал в Вильне. Будучи тяжелобольным, отошёл от революционной деятельности, занимался литературной работой. В 1913 году переехал в Санкт-Петербург. Скончался Герман Лопатин от онкологического заболевания 26 декабря 1918 года в Петропавловской больнице. Похоронен на Литераторских мостках Волковского кладбища в Санкт-Петербурге.