Thomas masuk Universitas Texas, Austin, ia belajar kimia dan teknik kimia, lulus dengan gelar B.A. pada tahun 1941 dan gelar master pada tahun 1943. Ketika masih menjadi amhasiswa S1, Thomas bertemu dengan Dorothy (Dottie) Martin yang saat itu menjalani pelatihan sebagai wartawati. Mereka menikah dan memiliki 3 anak. Thomas masuk Harvard Medical School pada tahun 1943, menerima gelar dokter pada tahun 1946. Dottie menjadi teknisi laboratorium selama masa ini untuk menyokong keluarga, dan pasangan itu bekerja sama.