Natif de Baltimore, Thomas Jane effectue ses débuts de comédien sur les planches, en jouant dans les pièces "All My Sons" d'Arthur Miller ou "La Ménagerie de Verre" du dramaturge Tennesse Williams. En 1992, il fait sa première apparition à l'écran avec Buffy, tueuse de vampires. En 1997, il partage avec l'ensemble du casting de Boogie Nights un prix d'interprétation décerné par la Screen Actors Guild. En 1998, il tient un petit rôle mémorable d'un soldat mourrant dans les bras de Sean Penn sur le champ de bataille de La Ligne rouge. En 1999, il occupe la tête d'affiche du thriller horrifique Peur bleue avec l'actrice Saffron Burrows. Il retrouve Paul Thomas Anderson la même année pour Magnolia, Ours d'or au Festival du film de Berlin.