Fils d'un paysan devenu employé d'une compagnie d'assurances et décédé alors qu'il n'avait que 6 ans, Pascal Thomas passe son enfance en pension. Adolescent, il monte un ciné-club avec son ami et futur scénariste Roland Duval, avant d'exercer pendant plusieurs années le métier de journaliste. En 1971, pendant qu'il travaille à l'écriture d'Odile s'en va -roman qui restera inachevé-, Claude Berri lui suggère de transformer son récit en scénario : c'est ainsi qu'il tourne Le Poème de l'élève Mikovsky, son premier court métrage, programmé avant Le Dernier Tango à Paris.

Désireux de "montrer que les gens heureux ont une histoire et que le bonheur se raconte", Pascal Thomas réalise en 1972 Les Zozos, chronique aux accents autobiographiques dans laquelle il relate avec tendresse et drôlerie les déboires amoureux d'une bande de lycéens. Le charme nostalgique de ce premier long métrage couronné de succès se retrouve dans les films suivants du réalisateur, en dépit de titres triviaux imposés par les producteurs : Pleure pas la bouche pleine (1973) ou Le Chaud Lapin (1974). Avec le concours d'acteurs tels que Daniel Ceccaldi et Bernard Menez, Thomas signe tout au long des années 70 des comédies de caractères aux dialogues soignés, doublés de portraits chaleureux de la province française.

Après Celles qu'on n'a pas eues en 1981, le réalisateur délaisse les plateaux de cinéma, ne tournant plus que des publicités. Il revient en 1989 avec Les Maris, les femmes, les amants, brillant marivaudage estival. Mais deux ans plus tard, La Pagaille est un échec, et Pascal Thomas s'éclipse de nouveau, jusqu'à La Dilettante, succès-surprise de l'été 1999 porté par Catherine Frot en bourgeoise anti-conformiste. Il enchaîne avec Mercredi folle journée, comédie chorale dont les héros sont des enfants, présents depuis toujours dans une oeuvre pleine de poésie.

Dans les années 2000, Pascal Thomas signe une série d'adaptations de polars d'Agatha Christie : Mon petit doigt m'a dit (2005) et Le Crime est notre affaire (2008), avec un couple de détectives excentriques formé par Catherine Frot (qu'il retrouve pour la seconde et troisième fois) et André Dussollier, ainsi que L'Heure zéro (2007). On y retrouve la fantaisie du cinéaste, et son goût pour les seconds rôles hauts en couleurs. En 2010, il offre au chanteur Julien Doré son premier rôle au cinéma dans la comédie Ensemble, nous allons vivre une très, très grande histoire d'amour..., comédie pour laquelle il retrouve Noémie Lvovsky (4 ans après Le Grand appartement), Christian Morin (La Dilettante (1999), Mercredi, folle journée ! (2001)) et Bernard Ménez (Pleure pas la bouche pleine (1973) et Le Chaud Lapin (1974)).