Născut în Swansea, Thomas Carroll a studiat cu Melissa Phelps la Școala Yehudi Menuhin și cu Heinrich Schiff în Austria. Violoncelistul galez și-a lansat cariera când a câștigat atât Young Concert Artists Trust (Londra), cât și Young Concert Artists (New York), după ce a obținut numeroase premii la concursuri internaționale. De atunci a susținut recitaluri de debut aclamate de critici la Wigmore Hall (Londra), Alice Tully Hall (New York), Konzerthaus (Viena) și în Boston, California, Florida și Washington DC, precum și în numeroase săli și festivaluri importante din Europa, Asia, Africa, Australia și America.

Ca solist de concerte, Thomas a cântat cu orchestre precum London Symphony Orchestra, Philharmonia Orchestra, Royal Scottish National Orchestra, BBC National Orchestra of Wales, London Mozart Players, Royal and London Philharmonic Orchestras, Vienna Chamber Orchestra ș.a. Foarte solicitat ca muzician de cameră, Thomas a colaborat cu Cvartetul Belcea, Chilingirian Quartet, Endellion Quartet, Yehudi Menuhin, Ivry Gitlis, Gidon Kremer, Tasmin Little, Julian Rachlin, Janine Jansen, Nicola Benedetti, printre mulți alții. De asemenea, este membru al Trio Apaches, Salieca Trio și London Conchord Ensemble.

A înregistrat peste treizeci de CD-uri la casele de discuri Champs Hill Records, Orchid Classics, Decca, Naxos, Signum Classics și Paladino Music Pe lângă cariera sa de violoncelist, Thomas se bucură și de o viață activă ca dirijor. De când a dirijat spectacolul său de debut la Filarmonica din Berlin, în 2006, a continuat să lucreze cu orchestre din Marea Britanie și din străinătate.

Din aprilie 2012, Thomas a fost numit director artistic al Orpheus Sinfonia. De asemenea, este un invitat obișnuit al multor programe de radio, interpretând și vorbind în direct la BBC, la care apare de mai multe ori pe an, începând cu anul 2000, precum și la posturi internaționale.

Din 2004 până recent, a fost profesor de violoncel la Royal College of Music din Londra, precum și profesor principal de violoncel la Yehudi Menuhin School. În 2018, a fost numit profesor de violoncel la Hochschule of music din Köln.