Thomas syntyi musikaaliseen perheeseen ja aloitti musiikkiopinnot Pariisin konservatoriossa 1828. Hän pääsi Grand Prix de Rome -palkinnon turvin vuodeksi Roomaan. Ensimmäinen oopperaLa Double Echelle on vuodelta 1837. Thomas'sta tuli vuonna 1856 konservatorion professori, ja hän opetti muun muassa Jules Massenet'ta.
Vuonna 1871 Ambroise Thomas seurasi Daniel-François-Esprit Auberia konservatorion johtajana. Hän hoiti virkaa kuolemaansa saakka.