Enfant de la balle -son père est le metteur en scène de théâtre Jean-Pierre Vincent et sa mère la comédienne Hélène Vincent-, Thomas Vincent débute sa carrière en exerçant différents métiers du cinéma. Directeur de casting, comédien ou encore photographe de plateau, il est assistant réalisateur sur Valmont de Milos Forman en 1989. Trois ans plus tard, il tourne son premier court-métrage, Lady bag, suivi des Mickeys en 1994.

Thomas Vincent signe en 1999 son premier long-métrage, l'intense Karnaval, histoire d'amour sur fond de carnaval à Dunkerque. Primée au Festival de Berlin, cette chronique sociale aux accents tragiques révèle Sylvie Testud et Clovis Cornillac, tous deux nommés aux César dans la catégorie "Meilleur espoir". Cinq ans après ce premier essai très remarqué, Thomas Vincent change radicalement de style avec son deuxième long-métrage, Je suis un assassin, adaptation d'un polar de Donald E. Westlake, avec François Cluzet et Karin Viard, présentée en 2004 à la Quinzaine des Réalisateurs.

Réalisateur de plusieurs téléfilms, Thomas Vincent signe en 2005 pour le petit écran une fiction remarquée sur le Service d'Action Civique, police parallèle au service de De Gaulle. Pour son troisième long métrage, Le Nouveau protocole (un film de commande), il s'attaque, sous la forme d'un thriller, à un univers tout aussi opaque : les laboratoires pharmaceutiques. C'est l'occasion pour lui de retrouver Clovis Cornillac, devenu, près de dix ans après Karnaval, un des acteurs les plus en vue du cinéma français.