De dix-neuf ans le cadet de son frère Pierre, Thomas Corneille s’appliqua toute sa vie à suivre la voie de son aîné. Il fait ses études chez les Jésuites et, après de brillantes humanités, devient, comme son frère, juriste. Il épouse la belle-sœur de Pierre et quitte Rouen pour Paris en même temps que lui, lorsque les triomphes de son frère l’entraînent vers le théâtre.
Son œuvre abondante présente des aspects très divers : tragédies, tragicomédies, comédies, opéras. Il écrit, seul ou en collaboration, une quarantaine de pièces de théâtre. À la différence de son frère, il s’appliqua à tous les genres dramatiques dont la pièce à machines.
En 1685, il succéda à l’Académie française au fauteuil de son frère mort l’année précédente et en 1701 il fut reçu à l'Académie royale des inscriptions et belles lettres.