Thomas è nata a Columbus, Georgia, la più grande di quattro ragazze. Nel 1907, la sua famiglia si trasferì a Washington, D.C., in cerca di sollievo dalla violenza razziale del Sud. Sebbene segregata, la capitale della nazione offriva ancora più opportunità per gli afroamericani rispetto alla maggior parte delle città in quegli anni.
Da ragazza, Thomas sognava di essere un architetto e costruire ponti, ma c’erano poche donne architetto un secolo fa. Invece, ha frequentato la Howard University, diventando la prima laureata in belle arti nel 1924. Nel 1924, Thomas iniziò una carriera di 35 anni insegnando arte in una scuola media di Washington. Era devota ai suoi studenti e organizzava per loro club d’arte, conferenze e mostre studentesche. L’insegnamento le permise di mantenersi mentre si dedicava alla sua pittura part-time.
La prima arte di Thomas era realistica, anche se il suo professore di Howard James V. Herring e la sua coetanea Loïs Mailou Jones la sfidarono a sperimentare l’astrazione. Quando si ritirò dall’insegnamento e poté concentrarsi a tempo pieno sull’arte, Thomas sviluppò finalmente il suo stile caratteristico.
Debuttò il suo lavoro astratto in una mostra a Howard nel 1966, all’età di 75 anni. Le astrazioni di Thomas sono state paragonate ai mosaici bizantini, alla tecnica divisionista di Georges Seurat e ai dipinti della Scuola del Colore di Washington, ma il suo lavoro è del tutto particolare.
Thomas divenne un modello importante per le donne, gli afroamericani e gli artisti anziani. Fu la prima donna afroamericana ad avere una mostra personale al Whitney Museum of American Art di New York, ed espose i suoi dipinti alla Casa Bianca per tre volte.