Амбруаз Тома родился 5 августа 1811 года во французском городе Меце. С четырёх лет он начал заниматься музыкой под руководством своего отца. Получил образование в Парижской консерватории, где его учителями были Дурлен, Лесюэр и Калькбреннер. Был удостоен Большой Римской премии. После этого он провёл три года в Италии, а затем год в Вене.

Начало композиторской карьеры Амбруаза Тома относится к 1837 году, когда была поставлена его первая опера «Двойная лестница». Последующие девять опер получили благожелательный приём у публики, а первый крупный успех пришёл к нему с оперой «Кади» в 1849 году.

Среди его лучших произведений — опера «Миньон», созданная в 1866 году по либретто Жюля Барбье и Мишеля Карре, а также опера «Гамлет» (1868), которая была поставлена на всех первоклассных сценах Европы. Он также написал балеты «Цыганка» (1839), «Бетти» (1846) и «Буря» (1889). К другим его сочинениям относятся оперы «Раймон», «Песня летней ночи» и «Франческа да Римини», кантаты, марши, мотеты, квинтеты, квартеты, ноктюрны и хоры.

Важное место в жизни композитора занимала педагогическая деятельность. С 1852 года он преподавал в Парижской консерватории, где позже стал профессором. В 1871 году он был назначен директором этой консерватории и занимал этот пост до своей смерти, практически прекратив сочинительство и сосредоточившись на преподавании.

В 1871 году возглавил комиссию, которая рекомендовала утвердить «Марсельезу» в качестве государственного гимна Франции.

Среди его учеников были такие известные композиторы, как Жюль Массне и Теодор Дюбуа. 

Скончался 12 февраля 1896 года в Париже.