Diplômé du Boston College en 1988, Thomas McCarthy se fait connaître comme acteur, au cinéma comme à la télévision. Il débute dans CROSSING THE BRIDGE de Mike Binder (1992), et traverse comme second rôle des films de premier plan et des grosses productions avec stars, pour COMPLOTS de Richard Donner (1997), LE GOUROU ET LES FEMMES de Daisy Von Scherler Mayer (2002), MÉMOIRES DE NOS PÈRES de Clint Eastwood (2006), LOVELY BONES de Peter Jackson (2009), DUPLICITY de Tony Gilroy (2009), 2012 de Roland Emmerich (2009) et le diptyque MON BEAU-PÈRE ET MOI/MON BEAU-PÈRE ET NOUS (Jay Roach, 2000, Paul Weitz, 2010).

Il côtoie Sean Penn dans LES FOUS DU ROI de Steven Zaillian (2006) et FAIR GAME de Doug Liman (2010), George Clooney sur son film GOOD NIGHT, AND GOOD LUCK (2005), dans SYRIANA de Stephen Gaghan (2005) et MICHAEL CLAYTON de Gilroy (2007), et accompagne Philip Seymour Hoffman dans ses débuts comme réalisateur, pour RENDEZ-VOUS L'ÉTÉ PROCHAIN (2010).

Il apparaît aussi dans des films plus discrets, et souvent inédits en France, tels CERTAIN GUYS de Stephen James (2000), THE LAST SHOT de Jeff Nathanson (2004) avec Matthew Broderick, Alec Baldwin et Toni Collette, THE GREAT NEW WONDERFUL de Danny Leiner (2005), THE SITUATION de Philip Haas (2006) avec Connie Nielsen, BEAUTIFUL OHIO de Chad Lowe (2006) avec William Hurt, YEAR OF THE DOG de Mike White (2007), BABY MAMA de Michael McCullers (2008), et MAMMOTH de Lukas Moodysson (2009), avec Gael Garcia Bernal et Michelle Williams.

Côté petit écran, Thomas McCarthy s'illustre dans une ribambelle de téléfilms et fictions, dont les séries « Spin City » (1998), « D.C. » (2000), « New York - Unité spéciale » (2000), « Ally McBeal » (2000), « The Practice » (2000), « New York District » (2002-08), et tient un rôle récurrent dans « Boston Public » (2000-01) et « Sur écoute » (2008).

Mais c'est comme auteur réalisateur que l'artiste attire définitivement l'attention. Il signe en effet un premier long métrage salué, THE STATION AGENT (2003), chronique décalée d'un trio attachant avec Peter Dinklage, Bobby Cannavale et Patricia Clarkson. Il récidive et fait mouche avec THE VISITOR (2007), peinture existentielle à New York entre un professeur veuf, un jeune couple d'immigrés clandestins et le mère du jeune homme, avec Richard Jenkins, Hiam Abbass et Haaz Sleiman, et LES WINNERS (2010, à gauche sur la photo du tournage), portrait d'un entraîneur de lutte en quête de renouveau dans sa vie avec Paul Giamatti, Amy Ryan, Bobby Cannavale et Jeffrey Tambor.