Nato nella piccola, antichissima città di Metz, Ambroise Thomas ricevette dal padre la prima educazione musicale e in questo campo dimostrò fin dalla più tenera età un'attitudine fuori dal comune, sia nei primi approcci con la teoria sia nella padronanza strumentale (imparò a suonare il violino e il pianoforte). Si imponeva la migrazione a Parigi, dove il talento del piccolo poteva trovare linfa nutritiva ben più feconda; e infatti nel 1828 Ambroise entrava nelle liste degli iscritti al Conservatoire, dove subito si distinse fra i migliori: sotto la supervisione di maestri come il virtuoso Kalkbrenner per il pianoforte, gli ottimi Barbereau e Dourlen per contrappunto e armonia cominciò a mietere premi e medaglie: fino al coronamento dei sogni di ogni allievo di conservatorio, vale a dire la vittoria dell'ambito Prix de Rome, che Thomas si aggiudicò nel 1832 con la cantata Hermann et Ketty. In seguito a questo successo, come previsto dal regolamento del premio, Thomas poté trascorrere tre anni in quell'Italia a cui una tradizione consolidata (che cominciava appena appena a scricchiolare) aveva assegnato il ruolo di Mecca e transito obbligato per qualunque artista che volesse fregiarsi dell'iniziale maiuscola. Il triennio formativo portò in dono al musicista soprattutto l'amicizia con il pittore Ingres, che a Roma dirigeva l'Académie de France.
Proprio quando stava per concludere un contratto con un impresario d'opera italiano, Thomas interruppe il soggiorno in Italia; nella pianura padana infuriava il colera, avvicinandosi pericolosamente alla capitale attraverso la Toscana: forse le apprensioni materne, forse un sano attaccamento alla vita lo indussero ad anticipare il rientro in patria. Ma ormai la padronanza dei ferri del mestiere era raggiunta: anzi, molto più, la vicinanza di pittori, scultori e persone di cultura lo aveva maturato. L'esordio all'opéra-comique avvenne nel 1837 con La double échelle, un atto unico che lo rese noto e apprezzato, guadagnandogli numerose altre collaborazioni. Seguirono infatti, come un fuoco di fila, Le Perruquier de la Régence (1838), Le panier fleuri (1839), Carline (1840) ancora per l'Opéra-Comique e parallelamente, per l'Opéra, Gypsy (1839), Carmagnola (1840), Le Guerrillero (1841). Finora, comunque, pur con raffinatezza, Thomas non era uscito dai solchi dell'abituale cliché dell'opéra-comique: con i lavori successivi, invece, cominciò ad avvertirsi un'effervescenza inconsueta, un'affettuosità di tratti destinata a permeare di sé il teatro degli anni a venire. Parliamo di Mina (1843), del Caïd (1849), del Songe d'une nuit d'été (1850): Mina sollevò tale entusiasmo da indurre a conferirgli due anni dopo la Legion d'Onore; e dopo Caïd e Le songe i tempi erano maturi per i riconoscimenti più prestigiosi: nel 1851 Thomas subentrò a Spontini come direttore dell'Académie des Beaux-Arts e ad Adolphe Adam in Conservatorio, alla cattedra di composizione.
La fama odierna di Thomas è legata soprattutto a due lavori in cui fruttificò la lezione stilistica del Faust di Gounod: si tratta ancora di due opéra-comique, Mignon (1866) e Hamlet (1868). Entrambe su libretto di una coppia collaudata di librettisti (Jules Barbier-Michel Carré, già autori del Faust), Mignon e Hamlet si inserivano coraggiosamente sul filone dei drammi musicali ricavati da sommi lavori letterari. Questa traslazione generò perplessità e fece arricciare il naso a qualche letterato, ma si conquistò un successo inattaccabile: sia per l'intuito teatrale che l'aveva guidata, sia per i pregi squisiti di entrambe le partiture, dove l'invenzione melodica, il gusto timbrico e la finezza lirica spianano la strada a certo intimismo di fine Ottocento e persino alle sottili ombreggiature del sinfonismo predebussyano. In pieno Secondo Impero, dall'opéra-comique era nata ormai l'opéra-lyrique, destinata a dominare per i trent'anni successivi la drammaturgia musicale francese. Dopo questi allori, Thomas rallentò, anzi frenò quasi del tutto l'attività di compositore per dedicarsi alla didattica: nominato direttore del Conservatorio di Parigi alla morte di Auber (1871), dedicò tutte le sue energie a questo impegno. Dopo anni di silenzio, tornò alla ribalta operistica con una Françoise de Rimini (1882) ancora su libretto di Barbier e Carré; ormai però il gusto si stava orientando verso le opere del suo brillante allievo Massenet, che aveva assorbito e proseguito l'indirizzo stilistico del suo maestro: le recensioni non furono soddisfacenti. L'anziano maestro abbandonò allora definitivamente la composizione (a parte il balletto La tempête del 1889); nel frattempo l'esperienza didattica aveva prodotto (1885) la pubblicazione del Recueil de leçons de solfège à changement de clef composées pour les examens et concours du Conservatoire de la Musique. Thomas si spense nella Parigi che l'aveva adottato e che aveva impresso l'orma decisiva alla sua vita: era il dodici febbraio 1896.