Né à Charleston, dans la Caroline du Sud aux États-Unis, Thomas Gibson a commencé à jouer des pièces de théâtre très tôt, dès l'âge de 10 ans. Il a ensuite en 1980 intégré la prestigieuse école d'Art dramatique, la Juilliard School. Il a ensuite fait ses débuts en tant que professionnel dans des pièces de théâtre en 1985 au festival Shakespeare de New-York. Il commence ensuite en 1992 sa carrière d'acteur dans le film Horizons lointains de Ron Howard avec Tom Cruise et Nicole Kidman. Il a ensuite enchainé dans des films tels que Le Temps de l'innocence, De l'amour et des restes humains, Barcelona, Sleep with Me et L'Homme de guerre. À la télévision, on a pu le voir dans quelques téléfilms et notamment dans le rôle de Satan dans le téléfilm Devil to Pay sur ABC. Il s'est fait connaitre en 1994 dans la série La Vie à tout prix dans le rôle du docteur Danny Niland. Avant cela, on avait pu le voir dans le soap Another World en 1990. En 1997, il a décroché le rôle de Greg dans la sitcom Dharma & Greg. Il joue également Aaron Hotchner, chef profileur dans la série Esprits criminels diffusée sur TF1.