C’est en mai 2009 qu’il est sélectionné pour devenir astronaute. Il entre à l’ESA en septembre 2009 et achève sa formation initiale en novembre 2010. Une fois diplômé, il travaille comme Eurocom, qui est le responsable des communications avec les astronautes pendant les vols depuis le centre de contrôle des missions. Il est également chargé des futurs projets au Centre des astronautes européens (EAC), notamment de la mise en place de la coopération avec de nouveaux partenaires, comme la Chine. Du 17 novembre 2016 à juin 2017, Thomas est affecté à une mission de longue durée (environ 6 mois) à bord de la Station spatiale internationale, la mission Proxima !

« Participer à l’exploration spatiale est pour moi un engagement envers l’avenir. Nous devons bien sûr penser au présent et mieux nous occuper de la Terre et de ses habitants, mais il ne faut pas pour autant négliger le futur ».