十四岁，入见元太宗，留任宿卫。石天麟好学，通诸国文字。元太宗命耶律楚材厘正庶务，择贤能之人为下属，石天麟名列其中，赐名蒙古台。宗王旭烈兀出征西域，以石天麟为断事官。

元宪宗六年（1256），遣石天麟出使海都，被拘留扣押。后来，叛王劫持皇子、北安王那木罕，住在石天麟家。石天麟与海都的近臣亲近，以宗亲恩义，及臣子逆顺祸福之理游说海都，海都闻而悔悟，于是派遣石天麟与北安王同归。石天麟被拘留长达二十八年，得以归回，元世祖大悦，赏赉甚厚。拜中书左丞，兼断事官，石天麟推辞说：“臣出使没有功劳，幸亏陛下赦免没有怪罪，何敢奢望荣宠，是庙堂之羞。”元世祖嘉奖其诚恳，从之。

有人诬告丞相安童曾接受海都官爵，元世祖怒，石天麟上奏：“海都是亲藩，非仇敌可比，安童不拒绝之，是释其疑心，导其归顺也。”元世祖怒气消解。江南道观收藏宋帝的画像，有僧人与道士交恶，告发其事，将置极刑，元世祖询问石天麟，石天麟对答：“辽朝帝后铜像今尚在西京佛寺，未闻有禁令也。”事情于是作罢。石天麟年已七十余岁，元世祖以金龙头杖赐之，说：“卿年老，出入宫掖，可杖此。”权臣桑哥用事，气焰嚣张，人莫敢言，唯独石天麟弹劾其奸，无所顾忌，人们佩服其忠诚正直。