De dix-neuf ans le cadet de son frère Pierre, Thomas Corneille s’appliqua toute sa vie à suivre la voie de son aîné. Il fait ses études chez les Jésuites et, après de brillantes humanités, est, comme son frère, juriste. Il épouse la belle-sœur de Pierre et quitte Rouen pour Paris en même temps que lui, lorsque les triomphes de son frère l’entraînent vers le théâtre.

Il épouse Marguerite de Lampérière, fille d'un notable des Andelys, tandis que son frère Pierre épousera sa sœur Marie (1617-1694). Marie et Thomas ont leur sépulture dans la collégiale Notre-Dame des Andelys.

Comme Pierre, il fait d’abord des comédies, tirées pour la plupart des auteurs espagnols (il s’inspirera du Jodelet Astrologue de d'Ouville pour écrire son Feint Astrologue en 1648 et sa Devineresse en 1679) et il réussit même à concurrencer victorieusement Scarron sur le terrain de la comédie burlesque, son "Geôlier de soi-même".

En novembre 1656, il débute sur la scène tragique avec Timocrate, dont le sujet est tiré du roman Cléopâtre de La Calprenède, et qui connaît un immense succès avec une série ininterrompue de — selon la légende — quatre-vingts représentations, la plus longue de tout son siècle.

Il écrit, seul ou en collaboration, une quarantaine de pièces de théâtre. À la différence de son frère, il s’appliqua à tous les genres dramatiques dont la pièce à machines (ses pièces à machines Circé (17 mars 1675), Le Triomphe des dames (7 août 1676), La Pierre philosophale (23 février 1681), avec la musique de Marc-Antoine Charpentier ont été parmi les plus réussies du siècle), l’opéra et la comédie à intermèdes. Ses trois livrets d’opéra, Psyché (1678), Bellérophon (1679) et Médée (1693) font de lui, avec Philippe Quinault et Jean Galbert de Campistron, un des plus importants librettistes français du xviie siècle.

Lui et son coauteur Donneau de Visé, reçoivent plus de 6 000 livres pour La Devineresse ou les Faux Enchantements, la plus grosse somme payée à cette période. Enfin, une de ses pièces, Le Baron des Fondrières, eut l’honneur d’être la première à être huée hors de la scène.

En 1677, quatre ans après la mort de Molière, à la demande de sa veuve, Armande Béjart, il met en vers la pièce que Molière avait créée en 1665 sous le titre de Le Festin de pierre (qui sera rebaptisée en 1682 Don Juan ou le Festin de pierre) et il en profite pour édulcorer les passages les plus audacieux. Ainsi mise à l'affiche du Théâtre Guénégaud sous le même titre (Le Festin de pierre) et sous le nom de Molière (Thomas Corneille ne publiera la pièce sous son nom qu'en 1683 seulement), cette version passera après la fusion des troupes parisiennes à la Comédie-Française en 1680 et sera reprise jusque vers le milieu des années 1840.

En 1685, il succéda à l’Académie française au fauteuil de son frère mort l’année précédente, et produisit une nouvelle édition des Remarques de Vaugelas en 1687, avant de s’atteler, en 1694, à un Dictionnaire des termes des arts et des sciences en complément du dictionnaire de l’Académie puis à un Dictionnaire universel géographique et historique en 1708. Il avait également produit une traduction complète des Métamorphoses d’Ovide en 1697.