Thomas Willaime se forme au Cours Florent et se perfectionne avec Jean-Paul Denizon et le Studio Pygmalion. S’enchainent plusieurs créations théâtrales, dont Ma Famille de Carlos Liscano mis en scène de Laurent Lebras, un seul-en-scène qu’il jouera à Paris et à Avignon, Fais-moi une place de et mise en scène d’Anthony Michineau, puis Le Cid, Roméo et Juliette, Horace, Les Liaisons Dangereuses mis en scène par Manon Montel (compagnie Chouchenko), où il joue les rôles titres, etc. Depuis septembre 2017, il joue et tourne son nouveau seul-en-scène L’Ingénu de Voltaire adapté et mis en scène par Jean-Christophe Barbaud et dans lequel il interprète une vingtaine de personnages. Actuellement en création pour Les Nuées d'Aristophane qu'il jouera à Paris au printemps 2022. Pour la télévision, Thomas tourne par exemple sous la direction de Frédéric Berthe dans Préjudices, il est l'interprète de plusieurs court-métrages dont La lettre de F. Audoin, Les Samaritains de H.N'Kashama. Il tourne avec l'assistanat d'Élisabeth Huppert Fiat Lux au Festival du film de Sarlat.