Autodidacte, el 1863 començà a treballar com a operador telegràfic a la Western Union Telegraph Company, estudiant i experimentant durant els seus lleures. El 1868 enregistrà la seva primera patent, un aparell enregistrador per a les votacions. Els anys immediatament subsegüents dissenyà un teletip i perfeccionà el sistema del telègraf automàtic. Col·laborà amb Christopher L. Sholes en la construcció de la primera màquina d’escriure, i aconseguí que el telèfon de Bell adquirís una aplicació pràctica generalitzada en incorporar-hi el micròfon de carbó (1877-78).
El 1876 instal·là a Menlo Park (Nova Jersey) els laboratoris d’investigació d’on sortiren la major part dels seus nombrosos invents (enregistrà més de 1.000 patents al llarg de la seva vida), entre els quals cal remarcar la làmpada d’incandescència (1879), el telègraf d’inducció (1885), el kinetoscope (1891), diversos tipus de dinamos i de motors i un tipus d’acumulador alcalí molt emprat actualment (1900-10).
El 1877 ideà el fonògraf, que ell anomenà màquina parlant. Aquest invent tenia un precedent en el fonoautògraf, concebut teòricament per Léon Scott el 1857 a partir de la conversió de senyals gràfics en acústics, idea que Edison dugué a la pràctica. Poc després d’haver inventat el fonògraf, Edison es dedicà a difondre’l per Amèrica i Europa, on causà sensació, tot i que al principi només era vist com una curiositat. El fonògraf, millorat al llarg del temps, ha estat la base dels consegüents sistemes d’enregistrament i reproducció del so analògics. Com a fet curiós, cal recordar que Edison era gairebé completament sord des dels dotze anys.
Presentà, a la primera exposició de l’electricitat, celebrada a París el 1881, l’estudi d’una instal·lació global d’il·luminació emprant làmpades d’incandescència, que fou ràpidament adoptada pels EUA i per molts estats d’Europa com a sistema d’enllumenat públic. El 1875 descriví, en un article publicat a Scientific American, una “força etèria” desconeguda i, prosseguint els seus estudis sobre aquest punt, el 1883 patentà la vàlvula termoiònica, que es fonamenta en l’emissió d’electrons produïda pels metalls incandescents, fenomen conegut amb el nom d’efecte Edison. Durant la Primera Guerra Mundial treballà pel govern dels EUA en l’estudi d’una sèrie de problemes navals i en la producció de fenol i d’altres productes químics. El 1927 fou nomenat membre de l’acadèmia nacional de ciències nord-americana.