Estudià música a la Universitat de Harvard i, en 1921-22, a l’Escola Normal de Música de París, on fou alumne d’orgue de Nadia Boulanger, de la qual també rebé classes particulars de contrapunt. A la capital francesa conegué Jean Cocteau i el Grup dels Sis, a més d’E. Satie, que influí en l’evolució del seu estil. De nou als Estats Units el 1922, completà els seus estudis i tocà l’orgue a la King’s Chapel de Boston. Entre el 1925 i el 1940 visqué una altra vegada a París. Durant aquest segon període parisenc conegué la novel·lista i poetessa Gertrude Stein, que escriví el llibret de dues òperes de Thomson, Four Saints in Three Acts (1934), la seva obra més cèlebre, i The Mother of us all, estrenada a Nova York el 1947. Després de Four Saints in Three Acts, compongué moltes obres per a corda, com ara la Sonata per a violí i dos quartets de corda, i començà la sèrie Portraits, per a piano sol, una sèrie de descripcions musicals de diferents personalitats del moment. Del 1940 al 1954 treballà a Nova York per al "New York Herald Tribune", tasca per la qual fou considerat un dels grans crítics musicals de l’època. Escriví música de gran qualitat per al cinema, com ara la de la pel·lícula Louisiana Story (R. Flaherty 1948), que guanyà el Premi Pulitzer de música d’aquell any i li inspirà dues suites que foren molt populars: Arcadian Songs and Dances i Louisiana Story. A part de la influència de Satie, la seva producció rebé l’influx de la música popular i dels himnes de l’Església baptista. L’òpera Lord Byron, que fou estrenada el 1972, és l’obra més ambiciosa i la que reflecteix millor el seu estil.