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Il passe par la distribution cinématographique et la production de films documentaires avant de changer d'orientation professionnelle. Suivant les pas de son frère aîné David, qui quitte son métier de professeur de physique pour étudier le métier de chef opérateur à l'ENS Louis-Lumière[1], Thomas Cailley passe le concours de La Fémis[2], école dans laquelle il rentre en 2007 en section scénario.
Au cours de ses études à La Fémis il est amené à écrire plusieurs scénarios de long métrage, dont son travail de fin d'études : le scénario des Combattants, co-écrit avec Claude Le Pape. En parallèle de ces études, il écrit et réalise un film de court-métrage, Paris Shanghai, qui est très bien accueilli en festival et reçoit de nombreuses distinctions.
Il réalise ensuite le film Les Combattants, avec Adèle Haenel et Kévin Azaïs dans les rôles principaux. Ce premier long métrage, qui mélange les genres cinématographiques, a pour base une romance sur fond d'entrainement à l'Armée de terre. Après un accueil dithyrambique, et une sélection à la Quinzaine des Réalisateurs au Festival de Cannes 2014, le réalisateur gagne de nombreuses récompenses qui concernent les premiers films, en France comme à l'international. Parmi les prix importants, seule la Caméra d'or lui échappe.
Sorti le , le film est aussi un succès en salles, totalisant plus de 400 000 entrées à ce jour.