Thomas Brodie-Sangster nasce a Londra il 16 maggio 1990, figlio di due attori, Anastasia Bertram e Mark Ernest Sangster, insieme alla sorella più piccola Ava, crescendo a South London. La bisnonna Barbara Bertram era sorella della nonna di Hugh Grant, mentre il bisnonno Anthony uno scrittore.
Il primo ruolo a renderlo noto al mondo, già da piccolo, è Love Actually - L'amore davvero (2003), dove interpreta il figlio di Liam Neeson. Ruoli successivi sono Hitler a 10 anni nella miniserie CBS Il giovane Hitler, Simon in Nanny Mcphee - Tata Matilda (2005), Tristano i Tristano e Isotta (2006) ed un imperatore Romolo Augusto alle prime armi in L'ultima legione (2007). Ancora un giovane, questa volta Paul McCartney, in Nowhere Boy (2009), mentre il protagonista Aaron Johnson è John Lennon. Per una questione di impegni non può interpretare Tintin nella rivisitazione di Steven Spielberg del 2008.
Poi qualche comparsata tv: nel doppio episodio speciale di Doctor Who intitolato Natura umana e nel 2008 nella miniserie italiana Pinocchio nei panni di Lucignolo. È la voce originale di Ferb nella serie Disney Channel Phineas e Ferb (2007-2015). Arrivano i ruoli più sostanziosi anche sul piccolo schermo: Jojen Reed nella terza e quarta stagione del fenomeno fantasy Il Trono di Spade (2013-2014) dai romanzi di George R.R. Martin.
Diventa Newt per il film di successo Maze Runner - Il labirinto (2014) e successivi sequel: La fuga (2015), La rivelazione (2018). Nel 2017 torna nel corto sequel reunion di Love Actually, intitolato Red Nose Day Actually. È nel cast della serie Netflix Godless (2017) e tre anni dopo nella miniserie fenomeno La regina degli scacchi nei panni di Benny Watts uno degli avversari della protagonista Anya Taylor-Joy, sempre sul colosso dello streaming. Nel 2022 diventa il manager Malcolm McLaren nella miniserie Disney+ Pistol e dal 2023 interpreta Jack Dawkins nella serie The Artful Dodger, sequel spin-off di -Oliver Twist_ di Charles Dickens, sempre per la Casa di Topolino.
L'attore suona la batteria e la chitarra, anche da mancino, per i ruoli musicali che interpreta. Dal 2021 è legato sentimentalmente all’attrice Talulah Riley, conosciuta sul set di Pistol, per poi sposarla nel 2024.
2015 Candidatura Miglior attore/attrice rivelazione in un film per Maze Runner - Il labirinto
2015 Candidatura Migliore 'chimica' su grande schermo per Maze Runner - Il labirinto
2025 Recitazione
2018 Recitazione
2015 Recitazione
2014 Recitazione
Nella serie in arrivo su Hulu e Disney+, l'attore impersonerà la versione più adulta di Jack Dawkins, personaggio celebre dell'Oliver Twist di Chales Dickens.
Arriverà su Disney+ (negli Stati Uniti su Hulu) la nuova serie australiana creata da James McNamara, David Maher e David Taylor.
Thomas Brodie-Sangster, Maia Mitchell e David Thewlis saranno i protagonisti della nuova serie Disney+, The Artful Dodger.
L'attore Thomas Brodie-Sangster ha parlato di come venga ancora riconosciuto dai fan di Love Actually dopo 19 anni dall'uscita del film.
Con loro anche l'interprete di The Walking Dead Merritt Wever e la giovane star de Il trono di spade Thomas Brodie-Sangster.