In Basel begann Hans Thoma eine Lehre zum Lithographen und Anstreicher. Anschließend machte er eine weitere Ausbildung als Uhrenschildmacher in Furtwangen.
Während dieser Zeit brachte er sich das Malen und Zeichnen autodidaktisch bei.
1859 schrieb er sich an der Großherzoglichen Kunstschule in Karlsruhe ein und studierte unter Johann Wilhelm Schirmer (1807-1863) und Ludwig Des Coudres (1820-1878) bis er 1866 seinen Abschluss machte.
Im Jahr darauf hielt er sich viel in Basel und Düsseldorf auf.
1868 reiste er zusammen mit Otto Scholderer (1834-1902) nach Paris. Dort wurde er besonders von den Werken Gustave Courbets (1819-1877) beeindruckt.
Ab 1870 lebte Thoma sechs Jahre in München, Kunsthauptstadt Deutschlands zu dieser Zeit.
In dieser Zeit unternahm er seine ersten Reisen nach Italien.
1877 heiratete er die Blumen- und Stilllebenmalerin Cella Berteneder (1858-1901). Gemeinsam reisten sie 1879 nach England.
Arnold Böcklin (1827-1901), ein enger Freund des Künstlers, und Maler aus dem Leibl-Kreis zählten zu seinem ständigen Umgang.
Von München aus zog das Ehepaar nach Frankfurt a.M. um. Zu ihren Nachbarn zählte dort der Maler Wilhelm Steinhausen (1846-1924).
Die Kronberger Malerkolonie, besonders bei Frankfurter Künstlern der Romantik beliebt, weckte sein Interesse.
Thoma kehrte nach Karlsruhe zurück und wurde 1899 zum Professor der Großherzoglichen Kunstschule, sowie zum Direktor der Kunsthalle Karlsruhe ernannt. An der er sein Amt bis 1920 inne hatte.
Durch eine Ausstellung im Münchener Kunstverein 1890 erhielt der Maler allgemeine Anerkennung in Deutschland und sollte bis 1910 einer der angesehensten Maler bleiben.
1905 wurde er vom Großherzog zum Mitglied der Ersten Kammer des Badischen Landtages ernannt. Dieses Amt hatte er bis 1918 inne.
Bis zur Machtübernahme Adolf Hitlers 1933 erfreuten sich seine Werke, auch nach seinem Tod, großer Beliebtheit.
Zu seinem Nachteil blieb die Begeisterung auch bei den Nationalsozialisten selbst bestehen. Sie hoben ihn zu einem „urdeutschen Malerfürsten“ an und vereinnahmten seine Kunst.
Mittlerweile scheinen seine Werke sich langsam davon zu erholen und wieder in das Gedächtnis der Leute zurück zu kehren. 

Zu seinen Schülern an der Kunstschule in Karlsruhe zählte unter unterem Hermann Haas (1878-1935).

Anfangs ist das Werk des Künstlers geprägt von einem lyrischen Pantheismus. In seiner Frankfurter Zeit konzentriert er sich vor allem auf einen erzählerischen und allegorischen Inhalt. Besonders bekannt ist Thoma jedoch für seine naturalistischen Landschaftsdarstellungen, insbesondere seiner heimatlichen Umgebung, Motive aus dem bäuerlichen Leben und Portraits von Freunden, Angehörigen und sich selbst. Diese haben von seinen Werken den authentischsten Wert.
Durch seine Verbindung mit Karlsruhe sind seine Arbeiten auch heute noch stark mit der Kunsthalle Karlsruhe verbunden.