Thomas nasceu em Columbus, Geórgia, a mais velha de quatro raparigas. Em 1907, a sua família mudou-se para Washington, D.C., em busca de alívio para a violência racial no Sul. Embora segregada, a capital da nação ainda oferecia mais oportunidades aos afro-americanos do que a maioria das cidades naqueles anos.
Como uma rapariga, Thomas sonhava ser arquitecto e construir pontes, mas havia poucas mulheres arquitectas há um século atrás. Em vez disso, ela frequentou a Universidade de Howard, tornando-se a sua primeira licenciada em artes plásticas em 1924. Em 1924, Thomas começou uma carreira de 35 anos a ensinar arte numa escola secundária de D.C. Dedicou-se aos seus alunos e organizou clubes de arte, palestras e exposições estudantis para eles. O ensino permitiu-lhe sustentar-se enquanto prosseguia a sua própria pintura em part-time.
A arte inicial de Thomas era realista, embora o seu professor Howard James V. Herring e o seu colega Loïs Mailou Jones a tivessem desafiado a experimentar a abstracção. Quando ela se retirou do ensino e foi capaz de se concentrar na arte a tempo inteiro, Thomas finalmente desenvolveu o seu estilo de assinatura.
Ela estreou o seu trabalho abstracto numa exposição em Howard 1966, aos 75 anos de idade. As abstracções de Thomas foram comparadas com mosaicos bizantinos, a técnica pontilhista de Georges Seurat, e as pinturas da Washington Color School, mas o seu trabalho é bastante distinto.
Thomas tornou-se um modelo importante para as mulheres, afro-americanos, e artistas mais velhos. Foi a primeira mulher afro-americana a ter uma exposição individual no Museu de Arte Americana Whitney de Nova Iorque, e expôs as suas pinturas na Casa Branca três vezes.