Thomas Haden Church commence sa carrière à la radio, à la fois en tant que DJ et animateur. Principalement acteur de série (Ned et Stacey, Wings) et de téléfilms à ses débuts, ce n'est qu'après son apparition dans le documentaire Stolen Moments (1997), qu'il décide de partir en Californie pour démarrer une véritable carrière de comédien pour le cinéma.

Il enchaîne alors de nombreux films dispensables, de George de la jungle, avec le bondissant Brendan Fraser, à George de la jungle 2 (2003), en passant par Destination : Graceland (2001), film de braquage avec un sosie d'Elvis Presley interprété par Kurt Russell. Il en profite même pour réaliser un film, Rolling Kansas (2003), où ses héros drogués cherchent à atteindre le paradis de la marijuana.

Dépité, voyant que sa carrière ne décolle pas, Thomas Haden Church préfère regagner son Texas natal pour couler des jours paisibles dans son ranch. Ayant loupé de peu le rôle tenu par Dermot Mulroney dans Monsieur Schmidt, le réalisateur Alexander Payne le rappelle et lui propose celui de Jack, grand amateur de vin et bon vivant dans Sideways (2004), aux côtés de Paul Giamatti. Il est la révélation du film et obtient une nomination pour l'Oscar du Meilleur second rôle.

Il a donc fallu beaucoup de temps à Thomas Haden Church pour enfin voir sa carrière décoller. Plébiscité par de nombreux réalisateurs, il devient le nouveau méchant de Spider-Man 3 (2007), succédant à Willem Dafoe et Alfred Molina. La même année, il est récompensé par un Emmy Award pour son rôle dans la mini-série Broken Trail. La reconnaissance critique et publique est définitivement au rendez-vous. Mais plutôt que d'enchaîner les grosses productions, il privilégie des films atypiques et plus modestes, comme Don McKay, avec Melissa Leo et Elisabeth Shue, ou Smart People aux côtés de Dennis Quaid.

La suite de sa carrière conserve alors cette ligne de conduite. Bien que jouant dans des projets assez consensuels, à l'image de Dans ses rêves (2009) et Nouveau Départ (2012), ou des (très) grosses productions comme John Carter (id.), dans lequel il se cache sous les traits d'un martien du nom de Tal Hajus, Thomas Haden Church apporte toujours sa contribution à des films plus discrets, tels que Easy Girl (2010), porté par la pétillante Emma Stone, ou la comédie dramatique familiale Another Happy Day (2011) de Sam Levinson.