Né à Columbus dans l'Ohio, Philip Michael Thomas grandit à San Bernardino en Californie au sein d'une famille nombreuse et pieuse. Son père, Louis Diggs, travaillait comme chef d'équipe dans une usine Westinghouse, tandis que sa mère s'appelait Lulu McMorris. Élevé dans la foi pentecôtiste, il devient prédicateur dès l'âge de seize ans avant de poursuivre des études en religion et en philosophie à l'Oakwood College puis à l'Université de Californie à Riverside. Il abandonne finalement son cursus universitaire après avoir réussi une audition pour la comédie musicale Hair à San Francisco, marquant ainsi le début de sa passion pour le spectacle.

Durant les années 1970, il fait ses premiers pas sur les planches de Broadway dans la pièce No Place to Be Somebody en 1971. L'acteur enchaîne rapidement les rôles au cinéma et à la télévision, s'illustrant notamment dans le drame musical Sparkle (1976) aux côtés d'Irene Cara et dans le film d'animation Coonskin de Ralph Bakshi. Il fait également des apparitions remarquées dans des séries télévisées populaires de l'époque comme Good Times, Starsky et Hutch ou encore la célèbre mini-série Racines : Les Nouvelles Générations. Ces premières prestations lui permettent de s'installer progressivement dans le paysage audiovisuel américain.

Sa carrière bascule en 1984 lorsqu'il décroche le rôle de sa vie : celui du détective New-Yorkais Ricardo « Rico » Tubbs dans la série culte Deux flics à Miami. Variant costumes élégants, lunettes de soleil et voiture de sport aux côtés de Don Johnson (Sonny Crockett), il incarne le style emblématique des années 1980 à travers 111 épisodes jusqu'en 1989. Ce succès international lui apporte une immense notoriété et fait de lui une star incontournable de la télévision américaine.

Après Deux flics à Miami, Philip Michael Thomas tourne principalement en Europe, notamment dans les séries italiennes Extralarge et Nous sommes anges aux côtés de Bud Spencer, avant de retrouver Don Johnson dans Nash Bridges. Il tente également de percer dans la musique, fonde son propre label et devient le visage télévisuel d'un réseau de voyance par téléphone dans les années 1990. Au début des années 2000, il marque les joueurs en prêtant sa voix au personnage de Lance Vance dans les jeux vidéo GTA: Vice City et Vice City Stories, un rôle directement inspiré de la série qui l'a rendu célèbre.