Sacramento Kings (2011-2014)
1. maaliskuuta 2012 Thomas nimettiin helmikuun läntisen konferenssin NBA:n kuukauden tulokkaaksi helmikuun keskiarvon oltua 12,2 pistettä ja 4,4 syöttöä kilpailua kohden helmikuussa. Kukaan pelaaja aiemmin ei ollut voittanut kuukauden tulokkaan palkintoa sen jälkeen, kun hänet oli valittu viimeisenä NBA:n draftissa. Huhtikuun 2. päivänä 2012 Thomas nimettiin jälleen kerran läntisen konferenssin NBA:n kuukauden tulokkaaksi, kun hän oli maaliskuussa tehnyt keskimäärin 13,6 pistettä ja 4,9 syöttöä kilpailua kohden. Thomas nimettiin myös NBA:n All-Rookie Second Team -joukkueeseen ja sijoittui seitsemänneksi NBA:n vuoden tulokas -äänestyksessä.
Tammikuun 19. päivänä 2014 Thomas teki silloisen uransa korkeimman pistemäärän, 38 pistettä, tappiossa Oklahoma City Thunderia vastaan. Viisi päivää myöhemmin hän tasoitti tämän saman pistemäärän Indiana Pacersia vastaan. Maaliskuun 18. päivänä 2014 hän kirjautti uransa ensimmäisen triplatuplan 24 pisteellä, 11 syötöllä ja 10 levypallolla 117-111 jatkoaikavoitossa Washington Wizardsia vastaan; näin hän sai kunnian olla lyhin pelaaja, joka on koskaan kirjauttanut triplatuplan NBA:ssa. Kauden 2013-14 aikana Thomas liittyi Calvin Murphyn (kahdesti), Dana Barrosin, Damon Stoudamiren ja Michael Adamsin joukkoon ainoina alle 1,8 metriä pitkinä pelaajina, jotka ovat kauden aikana tehneet keskimäärin yli 20 pistettä ja 6 syöttöä ottelua kohden.
Thomas oli suunnattoman suosittu kolmena kautenaan Sacramentossa; erityisesti hänen solidaarisuutensa osoittaminen ja useat esiintymiset kaupunginvaltuuston kokouksissa Kingsin siirtosaagan aikana tekivät hänet rakkaaksi monille faneille.
Phoenix Suns (2014-2015)
12. heinäkuuta 2014 Phoenix Suns hankki Thomasin sign-and-trade-sopimuksella, jonka myötä myös Alex Oriakhin oikeudet siirtyivät Kingsille. 14. elokuuta 2014 Thomasille tehtiin onnistunut vasemman ranteen tähystysleikkaus edellisellä kaudella saadun vamman vuoksi. Hän debytoi Sunsissa voitokkaassa 119-99 kauden avausottelussa Los Angeles Lakersia vastaan, jossa hän teki 23 pistettä, 3 syöttöä ja 1 levypallon. Seuraavassa Sunsin ottelussa 31. lokakuuta Thomas teki jälleen 23 pistettä 94-89-voitossa San Antonio Spursia vastaan ja liittyi Tom Chambersin, A.C. Greenin ja Tom Gugliottan seuraan neljäntenä Sunina, joka on tehnyt vähintään 23 pistettä kahdessa ensimmäisessä ottelussaan joukkueessa.
Kahdeksan ottelua nilkkavamman vuoksi poissa oltuaan Thomas palasi tositoimiin 12. joulukuuta, kun hän teki 10 pistettä Sunsin hävitessä 103-105 Detroit Pistonsille. Tammikuun 21. päivänä 2015 hän kirjautti kauden ennätyksensä 27 pistettä penkiltä 118-113-voitossa Portland Trail Blazersia vastaan. 5. helmikuuta Thomas ilmoitettiin NBA Skills Challenge -kilpailun kilpailijaksi, mikä teki hänestä lyhimmän kilpailijan, joka on koskaan osallistunut tapahtumaan.
Boston Celtics (2015-2017)
kausi 2014-15
19.2.2015 Thomas vaihdettiin Boston Celticsiin vaihdossa Marcus Thorntoniin ja vuoden 2016 ensimmäisen kierroksen varausvuoroon. Hän debytoi Celticsissä kolme päivää myöhemmin 118-111 jatkoaikatappiossa Los Angeles Lakersille tehden 21 pistettä penkiltä. Maaliskuun 2. päivänä 2015 hänet nimettiin itäisen konferenssin viikon pelaajaksi maanantaista 23. helmikuuta sunnuntaihin 1. maaliskuuta pelatuista peleistä. Myöhemmin häneltä jäi maaliskuussa väliin kahdeksan peliä alaselän ruhjeen vuoksi. Huhtikuun 8. päivänä 2015 hän teki kauden ennätyksensä 34 pistettä 113-103-voitossa Detroit Pistonsia vastaan. Tämän jälkeen hän sai itäisen konferenssin viikon pelaajan palkinnon maanantaista 6. huhtikuuta sunnuntaihin 12. huhtikuuta pelatuista otteluista. Uransa ensimmäisessä pudotuspeliottelussa 19. huhtikuuta Thomas kirjautti 22 pistettä ja 10 syöttöä ensimmäisen kierroksen Game 1 -tappiossa Cleveland Cavaliersia vastaan. Celtics jatkoi tappiota Cavaliersille neljän ottelun mittaisessa ottelusarjassa, jossa Thomas teki keskimäärin 17,5 pistettä ja 7,0 syöttöä. Kuudennen miehen roolinsa seurauksena sekä Phoenixissa että Bostonissa kaudella 2014-15 Thomas sijoittui toiseksi NBA:n Sixth Man of the Year Award -äänestyksessä 324 pisteellä, joista 33 oli ensimmäisiä ääniä.
Kausi 2015-16
16. joulukuuta 2015 Thomas saavutti silloisen uransa korkeimman pistemääränsä 38 pistettä 119-116-tappiossa Detroit Pistonsia vastaan. Tammikuun 28. päivänä 2016 hänet nimettiin itäisen konferenssin All-Star-varaukseksi NBA:n All-Star-peliin 2016. Thomasista tuli pienin All-Stariin nimetty varaus sen jälkeen, kun NBA:n draftia supistettiin kahteen kierrokseen vuonna 1989. Hänestä tuli myös vasta yhdeksäs alle 180-senttinen (1,8 m) pelaaja, joka on nimetty All-Star-peliin, ja hän oli samalla Calvin Murphyn kanssa lyhin pelaaja, joka on valittu All-Star-peliin. 8. helmikuuta 2016 hänet nimettiin itäisen konferenssin viikon pelaajaksi maanantaista 1. helmikuuta sunnuntaihin 7. helmikuuta pelatuista peleistä. Thomas johti Celticsin 4-0-viikkoon, mukaan lukien vierasvoitto itäistä konferenssia johtavaa Cleveland Cavaliersia vastaan, kun hän pelasi keskimäärin 20,3 pistettä (itäisen konferenssin 12. sija), 7,0 syöttöä (konferenssin neljäs sija) ja 4,5 levypalloa. Kun Celtics oli hävinnyt Atlanta Hawksille 2-0 vuoden 2016 pudotuspelien ensimmäisellä kierroksella, Thomas teki Bostonissa pelatussa kolmannessa ottelussa silloisen uransa 42 pisteen ennätyksen ja nosti Celticsin 111-103-voittoon. Hänestä tuli vasta yhdeksäs Celtic, joka on tehnyt 40 pistettä pudotuspeleissä. Neljännessä pelissä Thomas teki 28 pistettä ja auttoi Celticsin tasoittamaan ottelusarjan 2-2:een jatkoaikavoitolla 104-95. Celtics kuitenkin hävisi sarjan 4-2.
Kausi 2016-17
Kauden 2016-17 ensimmäisissä 21 ottelussa Thomas teki 20 pistettä tai enemmän joka ottelussa yhtä lukuun ottamatta. Palattuaan neljän pelin poissaolosta joulukuun alussa nivusrevähdyksen vuoksi Thomas jatkoi isojen lukujen tekemistä. Joulukuun 20. päivänä hän teki uransa korkeimman pistemäärän, 44 pistettä, joista 36 puoliajan jälkeen, 112-109-voitto-ottelussa Memphis Grizzliesia vastaan. Hän saavutti myös uransa parhaan kolmen pisteen heittotuloksen tehden 7-10 heittoa kaaren ulkopuolelta. Tämän jälkeen hän sai itäisen konferenssin viikon pelaajaksi maanantaista 19. joulukuuta sunnuntaihin 25. joulukuuta pelatuista otteluista. Joulukuun 30. päivänä Miamia vastaan hän teki 29 uransa 52 pisteestä neljännellä neljänneksellä, jolloin hän teki sarjan piste-ennätyksen ja johti Bostonin 117-114-voittoon Heatista. Thomas heitti yhdeksästä kolmen pisteen heitostaan kuusi neljännellä jaksolla ja rikkoi Larry Birdin vuonna 1983 tekemän ja Todd Dayn vuonna 1995 tekemän ennätyksen, joka oli 24 pistettä neljänneksellä. Thomasin 52 pistettä oli Celticsin historian neljänneksi korkein pistemäärä – Bird pitää ennätystä hallussaan 60 pisteellä maaliskuussa 1985.
Thomas johti Celticsin ensimmäisen kierroksen voittoon Chicago Bullsista saatuaan tietää päivää ennen sarjan alkua, että hänen nuorempi sisarensa Chyna Thomas oli kuollut auto-onnettomuudessa kotikaupunkinsa Tacoman ulkopuolella, Washingtonissa. Kun Celtics oli voittanut Bullsin 4-2, hän lensi maan halki osallistuakseen tytön hautajaisiin. Hän palasi Bostoniin itäisen konferenssin välierien ensimmäiseen peliin, jossa hän teki 33 pistettä ja antoi yhdeksän syöttöä auttaessaan Celticsiä voittamaan Washington Wizardsin 123-111. Hän palasi takaisin Bostoniin. Toisessa pelissä Washingtonia vastaan Thomas teki 53 pistettä – toiseksi eniten Celticsin pudotuspelihistoriassa – ja auttoi Bostonia voittamaan jatkoajalla 129-119 ja siirtymään ottelusarjassa 2-0-johtoon. Hänestä tuli vasta viides Celtic, joka on tehnyt 50 tai enemmän pisteitä postseason-ottelussa, ja hän jäi yhden pisteen John Havlicekin ennätyksestä. Seitsemännessä pelissä Washingtonia vastaan Thomas heitti 29 pistettä ja antoi 12 syöttöä ja auttoi Celticsin etenemään itäisen konferenssin finaaleihin ensimmäistä kertaa sitten vuoden 2012 115-105-voitolla ja 4-3-sarjan voitolla. Kun Celtics oli hävinnyt konferenssifinaalien kaksi ensimmäistä peliä Cleveland Cavaliersille, Thomas suljettiin pois loppukauden ajaksi lonkkavamman vuoksi.
Cleveland Cavaliers (2017-2018)
22. elokuuta 2017 Thomas kaupattiin yhdessä Jae Crowderin, Ante Žižićin ja Brooklyn Netsin suojaamattoman vuoden 2018 ensimmäisen kierroksen varauksen kanssa Cleveland Cavaliersiin vaihdossa Kyrie Irvingiin. Clevelandin henkilökunnan suorittamassa kaupan jälkeisessä lääkärintarkastuksessa heräsi kuitenkin huoli Thomasin aiemmin loukkaantuneen lonkan terveydestä. Tämän seurauksena kahdeksan päivää sopimuksen julkistamisen jälkeen Celtics suostui lähettämään Cavaliersille vuoden 2020 toisen kierroksen varausvuoron Miami Heatin kautta kaupan loppuunsaattamiseksi. Myöhemmin kerrottiin, että Thomas oli pelannut useiden kausien ajan lonkkansa sekundaaristen ongelmien, kuten ruston menetyksen ja jonkinasteisen niveltulehduksen, kanssa. 25. syyskuuta 2017 Cavaliers kertoi, että Thomas saattaa pelata vuoden loppuun mennessä. Joulukuun 21. päivänä 2017 Thomas harjoitteli NBA:n G-liigan Canton Charge -joukkueen kanssa ja pukeutui ensimmäistä kertaa Cavaliersiin liittymisen jälkeen pukuun, mutta ei pelannut Chicago Bullsia vastaan. Tammikuun 2. päivänä 2018 Thomas teki kauan odotetun debyyttinsä Cavaliersissa ja teki 17 pistettä 19 minuutissa penkiltä 127-110-voitossa Portland Trail Blazersia vastaan. Päivää myöhemmin Thomas palasi TD Gardeniin. Vaikka hän ei pelannut Cavaliersin 102-88-tappiossa Celticsille, Thomas sai Celticsin faneilta seisovat aplodit. Tammikuun 6. päivänä hän teki 19 pistettä ja antoi neljä syöttöä kauden toisessa esiintymisessään ja ensimmäisessä aloituksessaan 131-127-voitossa Orlando Magicia vastaan. Tammikuun 20. päivänä hän teki kauden 24 pistettä 148-124-tappiossa Oklahoma City Thunderia vastaan.
Los Angeles Lakers (2018)
Helmikuun 8. päivänä 2018 Cavaliers vaihtoi Thomasin, Channing Fryen ja vuoden 2018 ensimmäisen kierroksen varausoikeuden Los Angeles Lakersiin vaihdossa Jordan Clarksoniin ja Larry Nance Jr. Debyytissään Lakersissa kaksi päivää myöhemmin Thomas teki 22 pistettä penkiltä 130-123-tappiossa Dallas Mavericksille. Maaliskuun 1. päivänä hän teki kauden ennätyksensä 29 pistettä 131-113-voitossa Miami Heatia vastaan. Maaliskuun 29. päivä häneltä suljettiin loppukausi pois oikean lonkkansa tähystysleikkauksen jälkeen.
Denver Nuggets (2018-2019)
16. heinäkuuta 2018 Thomas allekirjoitti yksivuotisen sopimuksen Denver Nuggetsin kanssa. Hän debytoi Nuggetsissa 13. helmikuuta 2019 tehden kaikki kahdeksan pistettään kolmannella neljänneksellä Denverin voittaessa Sacramento Kingsin 120-118-voittoon. Kyseessä oli hänen ensimmäinen pelinsä sitten 22. maaliskuuta 2018, jolloin hän oli Lakersissa.
Washington Wizards (2019-2020)
10. heinäkuuta 2019 Thomas allekirjoitti sopimuksen Washington Wizardsin kanssa.
6. helmikuuta 2020 Thomas kaupattiin kaupantekotilaisuudessa (trade deadline -kauppatakausihankinta)