Thomas Fritsch wurde am 16. Januar 1944 in Dresden als Sohn des Schauspielers Willy Fritsch und der Tänzerin und Schauspielerin Dinah Grace geboren. In Hamburg, wohin die Familie am Ende des Krieges geflohen war, studierte Fritsch Schauspiel bei Eduard Marks und nahm zudem Ballett- und Gesangsunterricht. Gustaf Gründgens erkannte das Talent des damals 16-jährigen und riet ihm zu einer Schauspielkarriere.

Sein Filmdebüt hatte Thomas Fritsch bereits mit 17 Jahren in der österreichischen Produktion "Julia, du bist zauberhaft" (1962) in der Regie von Alfred Weidenmann, frühen Ruhm erlangte er mit seinem zweiten Film, Rolf Thieles "Das schwarz-weiß-rote Himmelbett" (ebenfalls 1962) an der Seite von Daliah Lavi. Fritsch avancierte zum allseits beliebten Sonnyboy des deutschen Films.  

Während er ab 1964 auch eine Theaterkarriere startete, die ihn unter anderem an das Fritz Rémond Theater in Frankfurt, die Kleine Komödie am Max II in München, zu den Hamburger Kammerspielen, zur Komödie am Kurfürstendamm in Berlin und ans Wiener Theater in der Josefstadt führte, spielte er weiterhin in zahlreichen Filmen, vor allem leichter Unterhaltung. So war er in Erik Ballings "2 x2 im Himmelbett" an der Seite von Marie Versini, Sonja Ziemann und Robert Graf ebenso wie in Rolf Olsens deutsch-österreichischem Western "Der letzte Ritt nach Santa Cruz" zu sehen. An der Seite seines Vaters spielte er in dessen letztem Kinofilm "Das hab' ich von Papa gelernt". Zu dieser Zeit reüssierte Fritsch auch als Schlagersänger mit mehreren Aufnahmen, teils gemeinsam mit seinem Vater.

Ende der 1960er kam Fritschs Filmkarriere deutlich ins Stocken, er spielte kaum noch in Kinofilmen, ein Versuch, in Hollywood Fuß zu fassen, scheiterte. Einige Jahre lang war er – mit wenigen Ausnahmen wie Alfred Vohrers Neuverfilmung von Erich Kästners "Drei Männer im Schnee" (1974) - ausschließlich in Fernsehproduktionen zu sehen und konzentrierte sich ansonsten auf die Bühne.  

Ein großes Comeback als Publikumsliebling feierte er 1977 mit seiner Hauptrolle in der populären TV-Serie "Drei sind einer zuviel" an der Seite von Jutta Speidel und Herbert Herrmann. Neben zahlreichen Gastauftritten in Krimiserien wie "Der Kommissar", "Der Alte" oder "Derrick" sowie Auftritten in Fernsehfilmen, etwa mehreren Rosamunde-Pilcher-Adaptionen, spielte er nun immer wieder zentrale Serienrollen, so etwa in "Fest im Sattel" (1988), "Rivalen der Rennbahn" (1989), "Glückliche Reise" (1992/1993), "Der Mond scheint auch für Untermieter" (1995-1997), "Unser Charly" (2000-2003), "Hallo Robbie!" (2004-2008) und "Meine wunderbare Familie" (2008-2010). Ein amüsantes Kino-Comeback hatte Thomas Fritsch mit seiner Rolle als Earl of Cockwood in Tobi Baumanns Edgar-Wallace-Parodie "Der Wixxer" (2004).  

Höchst präsent in Kino wie Fernsehen und auch in Hörspielen war Thomas Fritschs Stimme: Er gab häufig den Erzähler, etwa in der TV-Serie "Die Märchenstunde" (2006/2007) und in Hörspielen der berühmten Reihe "Die drei ???" (2002-2017). Auch bei Dennis Gansels erfolgreicher Kinoverfilmung "Jim Knopf und Lukas der Lokomotivführer" (2018) fungierte er als Erzähler. Als Synchronsprecher lieh er Stars wie Jeremy Irons, Russell Crowe und Jeff Bridges seine Stimme.

Thomas Fritsch, der viele Jahre abwechselnd in München und auf der griechischen Insel Mykonos gelebt hatte, verbrachte seine letzten Lebensjahre in einem Seniorenheim. 2019 wurde bekannt, dass er an Demenz erkrankt war.

Er starb am 21. April 2021 im Alter von 77 Jahren in Berlin.