Thomas Langmann est le fils du producteur et réalisateur Claude Berri, issu d'une famille juive ashkénaze, et d'Anne-Marie Rassam, issue d'une famille chrétienne de la bourgeoisie libanaise. Il est le neveu des producteurs Jean-Pierre Rassam et Paul Rassam. Son frère Julien Langmann, décédé en 2002, était acteur sous le nom de Julien Rassam ; il a un demi-frère, Darius, doctorant en philosophie.
Après des études à l'École des Roches, Thomas Langmann fait, dans son enfance, une première apparition en tant qu'acteur dans le film Je vous aime, réalisé par son père. Il poursuit ensuite une carrière de comédien, accédant directement aux premiers rôles. À l'âge de 17 ans, il tient la vedette du film Les Années sandwiches, qui lui vaut une nomination au César du meilleur espoir masculin. Dans Bille en tête, il interprète un adolescent qui tente de séduire une femme mariée, interprétée par Kristin Scott-Thomas. On le voit en 1991 dans les rôles principaux des films Nuit et Jour, de Chantal Akerman, et Paris s'éveille, réalisé par Olivier Assayas. Ce dernier rôle lui vaut une seconde nomination au César du meilleur espoir masculin.
Au cours des années 1990, Thomas Langmann raréfie progressivement sa présence sur les écrans et abandonne le métier d'acteur pour celui de producteur. D'abord collaborateur de son père, il vole ensuite de ses propres ailes en créant à 24 ans sa propre société de production, La Petite Reine (en référence à Renn Productions, la société de son père){{,}}. Au cours des années 2000, ses premières productions sont des films au faible succès critique (Le Boulet, Double Zéro, Foon ou encore Steak) ; cela ne l'empêche pas, par la suite, de produire de grands succès, qui lui valent d'être désormais qualifié de « poids lourd du 7{{e}} art ».
En 2009, il est corécipiendaire du prix Daniel Toscan du Plantier décerné en marge des César du cinéma.
En 2012, il reçoit, comme producteur, l'Oscar, le BAFTA et le César du meilleur film ainsi que le Golden Globe de la meilleure comédie pour The Artist, réalisé par Michel Hazanavicius.