Thomas nació en Columbus, Georgia, siendo la mayor de cuatro niñas. En 1907, su familia se trasladó a Washington, D.C., en busca de alivio de la violencia racial en el Sur. Aunque segregada, la capital de la nación aún ofrecía más oportunidades para los afroamericanos que la mayoría de las ciudades en aquellos años.
De niña, Thomas soñaba con ser arquitecta y construir puentes, pero había pocas mujeres arquitectas hace un siglo. En su lugar, asistió a la Universidad de Howard, convirtiéndose en su primera graduada en Bellas Artes en 1924. En 1924, Thomas comenzó una carrera de 35 años enseñando arte en una escuela secundaria de D.C. Se dedicó a sus alumnos y organizó para ellos clubes de arte, conferencias y exposiciones estudiantiles. La enseñanza le permitió mantenerse a sí misma mientras se dedicaba a la pintura a tiempo parcial.
El arte inicial de Thomas era realista, aunque su profesor de Howard James V. Herring y su compañera Loïs Mailou Jones la desafiaron a experimentar con la abstracción. Cuando se retiró de la enseñanza y pudo concentrarse en el arte a tiempo completo, Thomas desarrolló finalmente su estilo característico.
Debutó su obra abstracta en una exposición en Howard 1966, a la edad de 75 años. Las abstracciones de Thomas se han comparado con los mosaicos bizantinos, la técnica puntillista de Georges Seurat y las pinturas de la Escuela del Color de Washington, aunque su obra es bastante distintiva.
Thomas se convirtió en un importante modelo para las mujeres, los afroamericanos y los artistas mayores. Fue la primera mujer afroamericana en realizar una exposición individual en el Museo Whitney de Arte Americano de Nueva York, y expuso sus cuadros en la Casa Blanca en tres ocasiones.