Thomas étudia à l'École normale supérieure de Lyon, puis à l'Université de Nancy, où il obtint son diplôme en sciences physiques et chimiques en 1876. Ensuite, il s'installa aux États-Unis et commença sa carrière professionnelle au département des poudres et explosifs de la société E.I. du Pont de Nemours and Company à Wilmington (Delaware).
En 1884, Thomas inventa une méthode pour produire l'acide nitrique, ce qui lui valut d'être recruté par le gouvernement américain pour travailler sur la fabrication de poudres explosives pendant la Guerre hispano-américaine. En 1892, il déposa un brevet concernant la production de nitrate d'ammonium, qui lui permit d'entreprendre avec succès dans le domaine chimique.
En plus de ses inventions et de sa carrière académique, Thomas fut également actif dans la vie politique en France, où il s'engagea comme membre du Parti radical-socialiste. Il travailla à améliorer les conditions de vie des travailleurs agricoles français et fut élu au Parlement en 1897.
Thomas était également un philanthrope actif : il fonda la Banque des Aliments, une organisation qui distribuait des vivres aux pauvres à Paris et dans les régions rurales de France, ainsi que le Collège scientifique de l'Union américaine pour l'avancement des sciences, un organisme qui promeut la recherche scientifique aux États-Unis.
En 1906, Thomas reçut la médaille d'or de la Société chimique américaine pour ses découvertes et ses inventions dans le domaine de la chimie. Il fut également élu membre de l'Académie française en 1923.
Aujourd'hui, Léon Benoit Charles Thomas est reconnu comme un pionnier de la chimie moderne et une figure importante de la science franco-américaine. Ses inventions et son activité politique ont marqué l'histoire des sciences et ont contribué à améliorer la vie des millions de personnes aux États-Unis et en France.