Thomas Brodie-Sangster nació el 16 de mayo de 1990 en la ciudad de Londres, ubicada en Inglaterra, Reino Unido, siendo el primer hijo de los también actores Mark Sangster y Tasha Bertram. Tiene una hermana menor llamada Ava Sangster, y ambos son primos segundos del actor Hugh Grant. Poco se sabe de su infancia, pero desde joven, había mostrado cierto interés por las artes escénicas, en parte influenciado por el trabajo de sus padres y su familia en general. En el 2001, con 11 años de edad, hizo su debut como actor apareciendo en telefilmes y cortometrajes hasta que en 2003 interpretó a Sam en la exitosa cinta Love Actually, con la cual obtuvo nominaciones en los Premios Satellite y los Premios Phoenix Film Critics Society. En 2005, protagonizó el filme Nanny McPhee con el papel de Simon Brown, actuación que le valió una nominación a los Young Artist Awards como mejor actor protagonista joven. Al año siguiente, creó junto a su madre Brodie Films, una productora que buscaba nuevos talentos británicos, que iban desde guionistas hasta actores y directores. Thomas continuó desarrollando papeles menores y protagonizando pequeñas series hasta que en 2007 fue elegido para hacer la voz en inglés de Ferb Fletcher en la serie animada Phineas y Ferb, la cual más tarde se convirtió en un éxito.
En 2009, apareció en los filmes Bright Star y Nowhere Boy interpretando a Samuel Brawne y a Paul McCartney, respectivamente; ambas actuaciones recibieron comentarios favorables por parte de la crítica. Dos años más tarde, prestó su voz para la primera película de Phineas y Ferb, titulada Phineas y Ferb : A través de la segunda dimensión, y también apareció en Death of a Superhero, un filme irlandés que fue aclamado por la crítica. Otras de sus actuaciones ese año incluyen una aparición en la serie británica Lewis y en las películas Hideaways y Albatross.
En el 2013, el actor dio vida al personaje de Jojen Reed en la serie de televisión de HBO, Juego de tronos, apareciendo de forma recurrente entre la tercera y cuarta temporada.