Trabajó en el Hospital Peter Bent Brigham en Boston y fue director del Centro de Investigaciones del Cáncer Fred Hutchinson de Seattle.
Mientras Thomas era estudiante universitario, conoció a su esposa, Dorothy (Dottie) Martin, mientras ella se preparaba para ser periodista.
Dottie se convirtió en técnico de laboratorio durante este tiempo para mantener a la familia, y la pareja trabajó estrechamente a partir de entonces.
"En 1955, fue nombrado médico en jefe del Mary Imogene Bassett Hospital , ahora Bassett Medical Center, en Cooperstown, NY, una filial de la Universidad de Columbia ".
En ese momento, todos los pacientes que se sometieron a un trasplante de médula ósea murieron por infecciones o reacciones inmunes que no se observaron en los estudios con roedores .