Il est élève au collège de Saint-Dié, puis il fait sa khâgne au lycée Poincaré de Nancy. Il y fait la connaissance de Boris Simon-Gontcharov et les deux amis entretiendront une longue correspondance jusqu'en 1943. Henri Thomas entre ensuite au lycée Henri-IV à Paris, en lettres et philosophie, où il a Alain comme professeur et Emmanuel Peillet comme condisciple. En 1934, il renonce à se présenter au concours d’entrée à l’École normale supérieure ; il rencontre André Gide et publie ses premiers poèmes, en 1938, dans la revue Mesures.

En 1942, il épouse une jeune comédienne, Colette Gibert, désormais Colette Thomas, qui, par son entremise, devient une proche d'Antonin Artaud, avec lequel Henri Thomas correspondait.

En 1945, il est secrétaire de l'hebdomadaire Terre des Hommes créé par Pierre Herbart.

Il traduit notamment plusieurs livres d'Ernst Jünger, qu'il rencontre en février 1942, à commencer par Sur les falaises de marbre. Il traduit aussi Stifter, Brentano, Hofmannsthal.

Thomas vit dix ans à Londres jusqu'en 1958 en travaillant comme traducteur à la B.B.C. et deux ans aux États-Unis où il donne des cours de littérature à l'université Brandeis. À partir de 1950, il vit avec Jacqueline le Béguec, qu’il épouse en 1957.

Il fonde, en 1978, la revue Obsidiane dont François Boddaert assure la direction.

Il a été président d'honneur de la Société des lecteurs de Jean Paulhan en 1992 et 1993.

En dépit de l'importance et de la qualité de sa production littéraire et poétique, Henri Thomas reste assez largement méconnu du grand public.