Thomas Jolly naît le 1er février 1982 à Rouen, ville où il commence le théâtre dès le collège, poursuivant au lycée en classe théâtre. Il poursuit ses études supérieures et sa formation professionnelle à Caen et à Rennes, avant de revenir à Rouen pour fonder en 2006 sa compagnie de théâtre "La Piccola Familia". Son travail de mise en scène s'élargit alors, des modernes vers des "classiques" et du boulevard spirituel (Marivaux et Sacha Guitry après Jean-Luc Lagarce et Jean Genet). C'est avec une grande fresque réunissant la trilogie Henri VI de Shakespeare en un projet et un spectacle de 18 heures, dans lequel il joue et qu'il met en scène, qu'il obtient, pour sa compagnie et lui, une retentissante renommée.

Thomas Jolly fait ses débuts à l'Opéra en mettant en scène Eliogabalo de Cavalli, à l'Opéra de Paris (Palais Garnier) pour la rentrée 2016/2027. Il signe ensuite Fantasio d'Offenbach pour l'Opéra Comique, d'abord hors-les-murs au Châtelet puis Salle Favart une fois les travaux de la salle terminés, après que la production soit notamment passé par l'Opéra de Rouen. Il joue d'ailleurs lui-même le rôle de Fortunio (un autre personnage d'Alfred de Musset, qui a inspiré un autre opéra-comique, à Messager), dans la pièce de théâtre Le Chandelier à Rouen en août 2019.

L'art lyrique continue d'inspirer son travail théâtral, notamment lorsqu'il revient à la tragédie Antique (et pour cause, celle-ci a infiniment inspiré l'opéra). Cela est notamment notable dans sa mise en scène de Thyeste de Sénèque en ouvrant le Festival d'Avignon 2018 dans la cour d'honneur du Palais des papes.

Thomas Jolly revient à Shakespeare encore et toujours, en mettant en scène la création mondiale de l'opéra Macbeth Underworld de Pascal Dusapin, à La Monnaie de Bruxelles pour la rentrée 2019/2020 (puis fin 2023 à l'Opéra Comique de Paris suite à un report pour cause de Covid).

Il devient directeur du Centre Dramatique National Le Quai d'Angers au début de l'année 2020 mais démissionne en novembre 2022 pour se concentrer sur la direction artistique des cérémonies des Jeux Olympiques d'été de Paris 2024.

Ses deux derniers grands projets avant cette préparation auront été une nouvelle mise en scène pour le retour à l'affiche de la comédie-musicale culte Starmania et la mise en scène du Roméo et Juliette de Gounod à l'Opéra Bastille en fin de saison 2022/2023 (pièce qu'il interprétait sur son balcon durant le confinement en temps de pandémie de Covid-19).