Thomas Brodie-Sangster wächst mit seinen Eltern und seiner jüngeren Schwester Ava in London auf. Sein Vater arbeitet im Filmgeschäft und bringt ihn schon früh in TV-Produktionen unter. Der Brite ist zudem ein Neffe zweiten Grades von Hugh Grant, neben dem er in der Romanze "Tatsächlich ... Liebe" spielt. In dem Episodenfilm verkörpert der junge Schauspieler den Stiefsohn von Liam Neeson, der sich nach dem Tod seiner Mutter in eine Mitschülerin verliebt. Thomas Brodie-Sangster kann die ersten Nominierungen für Filmpreise auf seinem Steckbrief als Schauspieler vermerken und bekommt schon bald die nächsten Rollenangebote.
In "Tristan und Isolde" tritt er in Rückblenden als jüngere Version von James Franco auf, in dem Fantasy-Film "Eine zauberhafte Nanny" übernimmt er eine Hauptrolle neben Emma Thompson und Colin Firth. In "Nowhere Boy", einem Biopic über John Lennon, kommt Thomas Brodie-Sangster sein musikalisches Talent zugute. Wenn er nicht als Schauspieler arbeitet, spielt er Bass und Gitarre – für den Film lernt er, linkshändig zu spielen.
Von 2013 bis 2014 spielt Thomas Brodie-Sangster die Rolle des Jojen Reed in dem Fantasy-Epos "Game of Thrones". Er ergattert zudem einen wichtigen Part in der Romanverfilmung "Maze Runner – Die Auserwählten im Labyrinth".