Thomas Brodie-Sangster rođen je 16. svibnja 1990. godine u londonskom Southwarku, u umjetnički orijentiranoj obitelji. Upravo je kreativno okruženje u kojem je odrastao rano oblikovalo njegov interes za glumu. Obitelj s očeve strane vuče korijene iz Škotske, a Thomas je često isticao kako je odrastao u relativno mirnom i podržavajućem okruženju, što mu je kasnije pomoglo da lakše podnese pritisak slave.
Prve glumačke korake napravio je još kao dječak početkom 2000-ih u BBC-jevim televizijskim produkcijama, no pravi proboj dogodio se 2003. godine kada je dobio ulogu Sama u filmu "Love Actually" redatelja Richarda Curtisa. Film je postao globalni hit i s vremenom prerastao u jedan od najgledanijih božićnih klasika modernog doba. Upravo je Thomasova izvedba emotivnog dječaka koji pokušava osvojiti simpatiju iz škole publici ostala jedna od najdirljivijih priča u filmu. Njegova prirodnost pred kamerom i nevjerojatna emocionalna zrelost za tako mladu dob odmah su privukle pažnju kritičara.
Nakon uspjeha filma mnogi su ga smatrali novom velikom dječjom zvijezdom britanske kinematografije. Taj status dodatno je učvrstio u filmu "Nanny McPhee", gdje je glumio najstarijeg od sedmero nestašne djece. Film je bio veliki komercijalni uspjeh, a Thomas je pokazao da može nositi velike produkcije i izvan sentimentalnih drama. Za razliku od brojnih dječjih glumaca koji ostanu zarobljeni u jednom tipu uloga, on je već tada pokazivao raspon od humora do ozbiljne drame.
Velik dio njegove popularnosti među mlađom publikom došao je zahvaljujući animiranoj seriji "Phineas and Ferb", u kojoj je godinama posuđivao glas Ferbu Fletcheru. Iako je riječ o animiranom liku koji govori vrlo malo, upravo je Thomasov specifični glas postao jedan od zaštitnih znakova serije. Mnogi gledatelji odrasli su uz njegov glas, a serija je tijekom godina stekla kultni status.
Kako je odrastao, Thomas Brodie-Sangster postupno se okretao ozbiljnijim i mračnijim projektima. Posebno su zapažene njegove uloge Paula McCartneyja u filmu "Nowhere Boy" te nastup u drami "Bright Star" redateljice Jane Campion. Kritičari su tada počeli isticati da se iza simpatičnog dječjeg lica krije ozbiljan talent za suptilne i emocionalno zahtjevne uloge.
Novu generaciju fanova osvojio je kao Jojen Reed u seriji "Igra prijestolja". Iako nije imao veliku minutažu, njegov misteriozni lik ostavio je snažan dojam među gledateljima. Uslijedila je još jedna velika franšiza, "The Maze Runner" i njezini nastavci, u kojima je glumio Newta. Upravo mu je ta trilogija omogućila prijelaz iz britanskog glumca poznatog po televizijskim dramama u međunarodnu filmsku zvijezdu.
Posljednjih godina doživio je novu kreativnu renesansu zahvaljujući Netflixovim projektima. U vestern-seriji "Godless" pokazao je ozbiljnu glumačku zrelost, dok je u megahitu "The Queen's Gambit" briljirao kao karizmatični šahist Benny Watts. Publika i kritika posebno su pohvalili njegovu sposobnost da s malo dijaloga stvori izrazito upečatljiv lik. Ta mu je uloga donijela i nominaciju za prestižnu nagradu Emmy, čime je definitivno potvrđen njegov status ozbiljnog glumca, a ne samo bivše dječje zvijezde.
Zanimljivo je da je Thomas tijekom cijele karijere uspio sačuvati privatnost, što je rijetkost među glumcima koji su slavu stekli kao djeca. Nikada nije bio dio velikih holivudskih skandala, a mediji ga često opisuju kao povučenog i skromnog. Dugo je bio u vezi s glumicom Talulah Riley, poznatom i po braku s poduzetnikom Elonom Muskom. Njihova veza privukla je veliku pažnju javnosti, osobito zbog razlike u godinama i Taluline medijske eksponiranosti, no par je djelovao vrlo skladno i diskretno. Vjenčali su se u lipnju 2024. godine u Hertfordshireu, daleko od pretjeranog glamura i holivudske pompe.