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 el fonògraf (1877), 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).
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.