Vive a South London con i genitori, Anastasia Bertram e Mark Ernest Sangster (entrambi attori), e la sorella più piccola Ava. La bisnonna di Sangster, Barbara Bertram, e la nonna di Hugh Grant erano sorelle.[1] Il suo bisnonno, Anthony Bertram, era uno scrittore.
Nel 2008 ha concluso le riprese della miniserie italiana Pinocchio, dove interpreta la parte di Lucignolo. Nel 2009 ha interpretato il ruolo di Paul McCartney nel film Nowhere Boy, affiancando il protagonista Aaron Johnson in quello di John Lennon. Inizialmente doveva interpretare Tintin nel film omonimo diretto da Steven Spielberg, ma nell'ottobre 2008 ha lasciato il ruolo per i molti ritardi nell'avvio del progetto.[2]
Dà voce al personaggio Ferb nella versione in lingua inglese della serie d'animazione di Disney ChannelPhineas e Ferb. Dalla terza stagione, fa parte del cast de Il Trono di Spade, serie televisiva statunitense prodotta e trasmessa da HBO a partire dal 17 aprile 2011, nella quale Thomas interpreta fino alla quarta il personaggio di Jojen Reed.
Nel 2017 torna nel sequel cortometraggio di Love Actually, intitolato Red Nose Day Actually, inoltre è uno dei protagonisti della serie tv Netflix: Godless distribuita da novembre 2017.
La sua ultima apparizione è stata nel 2020, nella miniserie targata Netflix La regina degli scacchi, nelle vesti di Benny Watts, accanto alla protagonista Anya Taylor-Joy che ha riscontrato un enorme successo a livello mondiale.
Vita privata
Sa suonare la batteria, grazie agli insegnamenti di suo padre per avere il ruolo nel film Love Actually, e la chitarra, anche con la mano sinistra, per interpretare il ruolo di Paul McCartney nel film Nowhere Boy. L'attore ha una relazione dal 2021 con l’attrice britannica Talulah Riley, conosciuta sul set di Pistol. La coppia ha annunciato il fidanzamento nel 2023 e i due si sono sposati il 22 giugno 2024.
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Thomas Brodie-Sangster è stato doppiato da:
Gabriele Patriarca in Love Actually - L'amore davvero, L'ultima legione, Nowhere Boy, Pinocchio, Il Trono di Spade, Maze Runner - Il labirinto, Maze Runner - La fuga, Maze Runner - La rivelazione
