Il rejoint le championnat professionnel de Finlande et l'équipe du HIFK. Il remporte alors le championnat et à titre personnel le trophée du meilleur gardien de l'année, le trophée Urpo-Ylönen[3]. Le , il signe un contrat avec les Oilers d'Edmonton. Il est assigné aux Bulldogs de Hamilton dans la Ligue américaine de hockey. Après quinze matchs, il décide de retourner au HIFK. Au cours des saisons qui vont suivre, il passe de club en club sans jamais réellement se fixer dans l'effectif en particulier d'une équipe.
En 2004, il rejoint le Jokerit Helsinki en Finlande et va remporter le Kultainen kypärä du meilleur joueur de la ligue selon ses pairs ainsi que le trophée Lasse-Oksanen du meilleur joueur, alors que son équipe finit à la seconde place du championnat au terme des séries[4].
Appartenant depuis 2001 aux Bruins de Boston de la LNH, il joue son premier match le lors d'une victoires chez les Oilers d'Edmonton. Il va finalement rejoindre l'équipe au cours de la saison 2005-2006 à la suite des forfaits des deux premiers gardiens de l'équipe, Hannu Toivonen et Andrew Raycroft. Ce dernier est alors échangé aux Maple Leafs de Toronto lors du repêchage 2006, Thomas devient le gardien numéro 1 de l'équipe. En 2006-2007, il joua 66 matchs mais les Bruins ratèrent tout de même les séries éliminatoires.
La saison suivante il fait taire tous ses détracteurs quand il remporte le trophée Vézina, remis aux meilleur gardien. Il mène ainsi son équipe à la tête de son association et est invité pour une deuxième fois au Match des étoiles.
En 2011, il remporte la Coupe Stanley avec les Bruins et remporte le trophée Conn-Smythe du meilleur joueur des séries éliminatoires. Il remporte aussi la même année un deuxième trophée Vézina en 3 ans. Le , il annonce qu'il prend une année sabbatique pour s'occuper de sa famille[6].
Le il est échangé aux Islanders de New York pour un choix conditionnel de 2e ronde en 2014 ou 2015.
