Issu d'une famille modeste, Dalibard fait des études à l'École royale du Génie de Mézières (aujourd'hui École spéciale militaire de Saint-Cyr). En 1750, il entre au service de la Compagnie des Indes et part pour l'Amérique du Sud.
En 1768, il est affecté à la colonie française de Sainte-Marie sur l'île de La Réunion où il construit le premier moulin à vent de l'île. Il prend ensuite part aux expéditions militaires de l'île Maurice contre les Hollandais en 1780 et 1781.
En 1785, Louis XVI lui confie la commande d'une expédition pour retrouver le navigateur James Cook qui a disparu au large des côtes du Pacifique Nord. Dalibard se rend à Tahiti où il répare et mène à bien l'expédition.
Cependant, en 1788, Dalibard quitte la Compagnie des Indes pour aller travailler sur une nouvelle expédition de Louis XVI. Il est chargé de trouver un nouvel itinéraire maritime entre l'océan Atlantique et l'océan Pacifique. Il débarque sur l'île d'Hawaï où il découvre la présence humaine des autochtones. Malheureusement, à cause de problèmes techniques sur le navire, Dalibard est obligé de rentrer en France en laissant sur l'île son second Louis-Antoine de Bougainville qui y découvrira l'île de Pâques quelques mois plus tard.
En 1793, pendant la Révolution française, Dalibard est arrêté et condamné à mort pour trahison. Il réussit cependant à s'échapper et retourne en Amérique du Sud où il termine sa carrière militaire avant de revenir en France où il meurt le 23 novembre 1807.
Ainsi, Thomas François Dalibard est un ingénieur, navigateur et explorateur français dont la découverte de l'île de Pâques reste une étape importante dans l'histoire de l'exploration du Pacifique Sud.