Née à Londres d'un père anglais et d'une mère (princesse) zimbabwéenne, Thandiwe Newton passe son enfance en Zambie mais doit quitter le pays dès l'âge de quatre ans en raison des troubles politiques qui ravagent le pays. Installée en Angleterre, elle développe son goût pour la danse et la comédie grâce aux cours de la London's Art Educational School, puis se lance dans le cinéma en 1991 avec la comédie dramatique Flirting, dans laquelle elle campe une jeune Ougandaise enrôlée dans un pensionnat huppé face à une Nicole Kidman encore débutante.

C'est au générique de ce film que le prénom de l'actrice est changé en "Thandie" Newton, jugé plus "occidental". En 2021, elle décide de revenir à son prénom d'origine, qui signifie "bien-aimée" en shona, langue d'Afrique australe.

Handicapée par un accent anglais peu développé, Thandiwe Newton peine à obtenir de nouveaux rôles et retourne à ses études, décrochant une licence d'anthropologie à l'Université de Cambridge. Mais elle est vite rattrapée par le cinéma et diversifie ses rôles au maximum. Victime dans Entretien avec un vampire (1994), esclave et maîtresse de Nick Nolte dans Jefferson à Paris (1995), elle est aussi chanteuse droguée dans Gridlock'd (1997).

Elle devient ensuite l'héroïne de deux longs métrages traitant de la mémoire du continent africain : elle est victime de la dictature dans le Shandurai de Bernardo Bertolucci et hante une ancienne esclave jouée par Oprah Winfrey dans Beloved de Jonathan Demme.

C'est en tenant le premier rôle féminin de Mission : impossible 2 (2000), dans lequel elle incarne une séduisante cambrioleuse, que le visage de la jeune femme devient familier au grand public. Mais la carrière de l'actrice ne bénéficie pas vraiment de cette exposition, malgré le succès du film de John Woo au box-office. En effet, elle retrouve en 2002 Jonathan Demme pour La Vérité sur Charlie, mais ni la presse ni le public sont emballés par ce remake du Charade de Stanley Donen.

C'est grâce au petit écran que Thandiwe Newton décroche un rôle marquant : en 2003, elle joue dans Urgences une médecin engagée dans la lutte contre le SIDA qui tombe amoureuse du Dr. Carter (Noah Wyle). Mais le bonheur du couple est de courte durée lorsque les deux médecins sont confrontés au décès de leur enfant.

Après cette incursion télévisée, elle est de retour au cinéma et explore pour la première fois l'univers de la science-fiction en s'illustrant dans Les Chroniques de Riddick aux côtés de Vin Diesel, puis fait partie du casting de l'Oscarisé Collision. Le drame choral de Paul Haggis lui vaut le BAFTA de la meilleure actrice dans un second rôle.

En 2007, poursuivant une carrière éclectique et sans vagues, elle incarne la compagne de Will Smith dans À la recherche du bonheur, accompagne Eddie Murphy au générique de la comédie Norbit, et signe pour tourner dans Cours toujours Dennis, première réalisation de David Schwimmer.

2008 est une grande année puisqu'on retrouve Thandiwe Newton à l'affiche de W. - L'improbable Président de Oliver Stone, biopic sur George W. Bush où elle interprète Condoleezza Rice, Rock'NRolla de Guy Ritchie et le film catastrophe 2012 de Roland Emmerich.

Dans les années 2010, l'actrice est surtout présente du côté du petit écran. On la retrouve au générique de The Slap, adaptée de la série australienne du même nom, puis de Rogue. Mais c'est via Westworld (2016-2022) qu'elle trouve son rôle le plus marquant. Dans cette série SF produite par J.J. Abrams et Jonathan Nolan, l'actrice campe une tenancière d'une maison close qui est aussi l'une des premières hôtes du parc Westworld à remettre en question son existence. Sa performance lui permet d'être nommée aux Golden Globes et d'obtenir l'Emmy Award de la meilleure actrice dans un second rôle en 2018.

En parallèle de Westworld, elle s'illustre dans des projets aussi variés que le blockbuster Solo: A Star Wars Story ; le premier film en langue anglaise de Xavier Dolan, Ma vie avec John F. Donovan (2019) ; et le thriller de SF Reminiscence (2021).

Après avoir participé au doublage de Mufasa: Le Roi Lion, Thandiwe Newton apparaît en 2025 dans la deuxième saison de Mercredi. Elle finit l'année avec Anaconda, un remake comique du long-métrage de 1997 avec Jennifer Lopez.