Natif de Baltimore, Thomas Jane effectue ses débuts de comédien sur les planches, en jouant dans les pièces All My Sons d'Arthur Miller ou encore La Ménagerie de Verre du dramaturge Tennesse Williams. Plus tard, il fait ses premiers pas au cinéma à dix-sept ans dans un film indien, Padamati Sandhya Ragam et, en 1992, il participe à Buffy, tueuse de vampires, film qui inspirera la série culte.
Après avoir tenu des petits rôles dans The Crow : la Cité des Anges (1997) et Volte/Face (id.), cet acteur au physique massif partage avec l'ensemble du casting du Boogie Nights de Paul Thomas Anderson un Prix d'interprétation décerné par la Screen Actors Guild en 1998. L'année suivante, Thomas Jane tient le rôle fort d'un soldat dans la La Ligne rouge du rare Terrence Malick.
Au début des années 2000, le comédien s'essaye à tous les genres. Il est ainsi la tête d'affiche du thriller horrifique Peur bleue (2000) avec l'actrice Saffron Burrows, avant de retrouver Paul Thomas Anderson pour l'étonnant Magnolia (id., Ours d'or à Berlin). Il est ensuite opposé à Gene Hackman et à Monica Bellucci dans Suspicion (remake de Garde à vue), puis partage par deux fois l'affiche avec Aaron Eckhart pour le thriller C'est pas mon jour et pour la comédie dramatique Molly. Il côtoie également les stars Antonio Banderas et Angelina Jolie dans Péché originel (2001), et joue dans la comédie déjantée Allumeuses ! (2002).
Après avoir participé au fantastique Dreamcatcher (2003), adapté de Stephen King, il se fait connaître du grand public en 2004 en incarnant Franck Castle, alias The Punisher : un rôle qui marque sa seconde incursion dans l'univers des comic-books. En 2008, Thomas Jane retrouve l'univers de Stephen King pour le film fantastique The Mist de Frank Darabont. Par la suite, l'acteur joue dans de nombreux films d'action qui sortent directement en DVD en France (Killshot, The Mutant Chronicles ou encore Dark Country, qui marque également sa première réalisation d'un film live).
A la fin des années 2000, c'est vers son écran de télévision qu'il faut se tourner pour retrouver Thomas Jane dans un rôle marquant. En effet, durant trois saisons (2009-2011), il tient le premier rôle de la série Hung sur la chaîne HBO. Il y joue un professeur bien membré qui décide de se reconvertir en gigolo pour éponger les dettes qu'il a contractées. Après l'arrêt de la série, il fait son retour au cinéma dans la comédie pour adolescents LOL USA (2012), remake américain du succès français LOL - Laughing Out Loud.
Par la suite, Thomas reprend son rôle du Punisher à l'occasion du court-métrage Dirty Laundry, plus proche de l'esprit du personnage Marvel que les précédents films. En 2014, Gregg Araki l'engage dans White Bird, sélectionné à Sundance. Il y incarne un inspecteur enquêtant sur la disparition de la mère de Kat (Kristen Stewart), campée par Eva Green. Le petit écran fait de nouveau appel à lui en 2015, puisqu'il devient la tête d'affiche de The Expanse, série futuriste de Syfy qui le voit partir à la recherche d'une femme disparue dans un système solaire entièrement colonisé.