Thomas Henry Marshburn nasceu a 29 de Agosto de 1960 em Statesville, Carolina do Norte. Gosta de acampar e de fazer caminhadas, e em 1980 fez uma caminhada entre o Canadá e o México segundo o trilho Pacific Crest. Também gosta de actividades familiares, natação, mergulho, snowboarding, tocar guitarra e leitura.
Frequentou o Liceu Handerson, Atlanta – Geórgia, 1978; recebeu um bacharelato em Física pelo Davidson College, Carolina do Norte, 1982, um mestrado em Física pela Universidade da Virgínia, 1984, e um doutoramento em Medicina pela Universidade de Wake Forest, 1989. Em 1997 recebeu um mestrado em Ciências Médicas pela Universidade do Texas (Medicina).
Após finalizar a escola médica, Thomas Marshburn treinou-se em medicina de emergência nos Hospitais de S. Vicente nos programas de emergência médica em Toledo, Ohio, onde também trabalhou como médico de voo. Em 1992, e após três anos de treino, foi certificado pelo American Board of Emergency Medicine. A seguir trabalhou como médico de emergência em Seattle, Washington, antes de ser aceite na primeira formação do NASA/UTMB Space Medicine Fellowship em Galveston, Texas. Após terminar a formação em 1995, trabalhou nos hospitais da área de Houston, Texas, e no Hospital Geral de Massachussets, Boston, Massachussets.
Em Novembro de 1994 Marshburn ingressava no Centro Espacial Johnson como cirurgião de voo, nomeado para o Space Shuttle Medical Operations e para o programa espacial conjunto entre os Estados Unidos e a Rússia. Entre Fevereiro de 1996 e Maio de 1997 serviu como cirurgião de voo para o pessoal da NASA destacado para o Centro de Treino de Cosmonautas na Cidade das Estrelas, Rússia, seguido de trabalhos no Controlo de Missão em Korolev, Rússia, em apoio da Expedição 4 da NASA à estação espacial Mir. Entre Julho de 1997 e Agosto de 1998 serviu nas operações médicas do Programa Shuttle / Mir. Entre 1998 e 2000 foi cirurgião de voo para a missão Neurolab (STS-98) e cirurgião principal para a missão STS-101 à estação espacial internacional.
Após passar 10 meses como representante da NASA no Harvard / MIT Smart Medical Systems Team do National Space Biomedical Research Institute em Boston, Massachusetts, trabalhou como cirurgião de voo para a Expedição 7 da ISS em 2003, dando apoio desde a Rússia, Cazaquistão e Houston.
Durante este tempo e até à sua selecção como astronauta, serviu como Líder de Operações Médicas para a ISS. Nas actividades levadas a cabo encontram-se o desenvolvimento de um programa de treino médico para cirurgiões de voo e oficiais médicos nas tripulações, e gestão do sistema de manutenção médica da ISS.
Foi seleccionado pela NASA em Maio de 2004. Em Fevereiro de 2006 terminou o treino de astronauta que incluiu formação técnica e científica, instrução intensiva sobre os sistemas do vaivém espacial e da estação espacial internacional, treino fisiológico, treino de voo em T-38, e treinos aquáticos e de sobrevivência. A finalização deste treino qualificou-o para vários trabalhos técnicos no Corpo de Astronautas e futuros voos espaciais como Especialista de Missão.
A missão STS-127 foi a primeira missão espacial de Thomas Marshburn na qual se tornou no 496.º ser humano e o 317.º astronauta dos Estados Unidos (juntamente com Douglas Gerald Hurley, Christopher John Cassidy e Timothy Lennart Kopra) a levar a cabo um voo espacial orbital. Esta missão teve uma duração de 15 dias 16 horas 44 minutos e 57 segundos.
Em Setembro de 2010 Thomas Marsburn é seleccionado como Engenheiro de Voo para a Expedição 34/35 a bordo da estação espacial internacional. Lançado a bordo da Soyuz TMA-07M, esta foi a sua segunda missão espacial tornando-se assim no 231. astronauta dos Estados Unidos e no 329.º ser humano (isto juntamente com Roman Yurievich Romanenko) a realizar duas missões espaciais.
Após a missão Soyuz TMA-07M, Thomas Marshburn acumulou um total de 161 dias 7 horas 3 minutos e 12 segundos de experiência em voo espacial.