Thomas frequentò l'Università del Texas ad Austin, in Texas, ove studiò chimica e ingegneria chimica e ottenne il Bachelor of Arts nel 1941 e il Master of Arts nel 1943. All'epoca in cui era "undergraduate" conobbe quella che sarebbe stata sua moglie, Dorothy (Dottie) Martin. Dal loro matrimonio nacquero tre figli. Thomas si iscrisse all'Harvard Medical School nel 1943, e conseguì il dottorato in medicina.