Aus bäuerlichen Verhältnissen stammend, in denen auch das Kunsthandwerk ausgeübt wurde, arbeitete Thoma zunächst als Lehrling im Lithographen- und Malerhandwerk, bevor er sich von 1859 bis 1866 an der Kunstschule in Karlsruhe und danach an der Akademie in Düsseldorf künstlerisch ausbilden konnte. 1868 erhielt er in Paris durch die Meister von Barbizon starke Impulse und gewann 1870 in München Anschluß an den Kreis um Leibl. Nach einem Studienaufenthalt in Italien führte ihn 1875 ein Auftrag auf Ausmalung eines Gartensaals nach Frankfurt am Main, wo er mit weiteren Aufträgen auf Wandfresken Fuß faßte und bekannt wurde. 1890 durch eine Ausstellung seiner Arbeiten in München hervorgehoben, schloß er sich der Münchener Sezession an. Von 1899 bis 1916 war er als Direktor der Kunsthalle und Lehrer an der Kunstakademie in Karlsruhe tätig.

Thomas Bilder (Familienbilder, Bauernbilder, Landschaften, Stilleben) zeichnen sich durch Schlichtheit und frische bis herbe Farbgebung aus. Er gilt als namhafter Vertreter eines gefühlsbetonten deutschen Realismus. Seine Darstellungen mythologischer oder religiöser Themen (aus dem Leben Jesu, 1908) in Anlehnung an Böcklinsche Vorbilder wirken heute fragwürdig, während seine Lithographien von unbestrittenem Rang sind.