万历四十五年九月二十五日(1617年10月24日)生,初授辅国将军,封于荆州(今湖北省)。
崇祯十五年(1642年)流寇张献忠攻陷荆州,朱术桂与惠王朱常润及宗室避居湖中。
崇祯十七年(1644年)思宗自缢殉国、北京沦陷,福王朱由崧在金陵称帝,是为安宗皇帝,朱术桂与兄长长阳王朱术雅入朝,被封为镇国将军。
随着清军南下,朱术桂逃亡过程中与兄失散,当时郑遵谦从绍兴迎奉鲁王朱以海为监国,由于不知朱术雅生死下落,于是由朱术桂袭封长阳王。
之后郑鸿逵拥立唐王为隆武帝,朱术桂奉表庆贺,而隆武帝也承认他为长阳王。不久朱术桂得知兄长仍在世,上疏归还王爵称号,隆武帝亦改封他为宁靖王,前往方国安军中担任督军。
清军渡过钱塘江后,朱术桂逃亡,途中与监国朱以海会合,后来被郑彩迎接到厦门。这时隆武帝朱聿键已死,桂王朱由榔被拥立为永历帝,朱术桂前往朝谒,永历帝命他留在郑鸿逵军中监军。永历二年春(1648年)又命朱术桂同时督郑成功之师。后来南明势力逐渐崩溃,只有郑成功保持较大力量,并在思明州(厦门)礼待避乱宗室,朱术桂前往投靠,郑成功以王礼待之,让他居住在金门和厦门两岛。
永历九年(1655年)因为永历帝和延平王郑成功势力相隔遥远,永历帝特准郑成功设置六官方便施政,同时允许他委任官职,武官可达一品,文职可达六部主事。郑成功每次拜封官员,都请朱术桂等明朝宗室在旁观礼,以示尊重体制。
永历十六年(1662年)郑成功去世,郑经继位。永历十七年(1663年)郑经迎宁靖王到台湾监军,同行包括泸溪王、鲁王世子朱弘桓、巴东王等诸明朝宗室及同乡仕绅等八百多人。于承天府府署(今台南市赤崁楼)旁的西定坊建立宁靖王府邸,并供岁禄于朱术桂。朱术桂见台湾初辟,土壤肥沃,便在万年州竹沪庄(今高雄市路竹区)一带,垦拓田园达数十甲。
永历三十五年(1681年),郑经去世,郑克塽继位。永历三十七年(1683年)六月二十二日(7月16日)施琅攻下澎湖之后,朱术桂决心殉国,分其田赏佃人,舍寝宫与一元子园捐为佛寺,召集妾侍说:"孤不德,颠沛海外,冀保余年,以见先帝、先王于地下;今大势已去,孤死有日,汝辈幼艾,可自计也。"随侍在侧的五妃(袁氏、王氏、秀姑、梅姐、荷姐)皆泣对曰:"王既能全节,妾等宁甘失身,王生俱生,王死俱死,请先赐尺帛,死随王所。"而后相继自缢于中堂。朱术桂亲自殡殓后,将五妃之灵柩安葬于南门城外魁斗山后(当时属于仁和里,今台南市五妃庙址)。
朱术桂死前书于壁曰:"自壬午流贼陷荆州,携家南下。甲申避乱闽海,总为几茎头发,苟全微躯,远潜外国四十余年,今六十有六矣。时逄大难,得全发冠裳而死。不负高皇,不负父母,生事毕矣,无愧无怍。"次日,即加翼善冠,服四团龙袍,束玉带,佩印绶,将宁靖王麎钮印送交郑克塽。据日本《华夷变态》记载,朱术桂亲自前往大关帝庙赴义。郑克塽率文武至,嗟叹别之。王乃拜辞天地祖宗。耆士老幼俱入拜,王答拜。又在砚背题辞世诗曰:"艰辛避海外,总为几茎发;于今事毕矣,祖宗应容纳。"书罢,结帛于梁自缢,且曰"我去矣。"侍宦两人亦从死其旁。众扶之下,颜色如生,越十日葬于县治,长治里竹沪与元配合焉,不封不树,妾杼五棺埋于台南魁斗山,去其墓三十里,称为五烈墓,又曰五妃祀。
朱术桂自杀时,终年六十六岁。乡人感其忠义,将他和元配罗氏、早夭之子朱俨鉴合葬于湖内村棚仔林中,墓地未做特别标示,并筑伪墓一百多座,以混淆清军的搜寻。