Антония Томас выросла в Лондоне. В детстве она занималась живописью, готовилась поступать в Колледж Сент-Мартин. После одного из конкурсов темнокожей лондончанке удалось получить место в Колледже искусства Челси. Однако Антония поняла, что одинокая жизнь художника не для неё, и переквалифицировалась в актрисы.
В 2001 году она вошла в труппу музыкального Национального молодёжного театра, с которой гастролировала и за границей. В 2006—2009 годах Томас жила в Бристоле, где училась в основанной Лоуренсом Оливье театральной школе «Олд Вик».
В 2009 году она получила первую роль на экране, в новом телесериале «Отбросы». Антонии досталась роль одного из главных героев-неудачников, получивших сверхспособности; в её случае — вызывание бесконтрольного полового влечения у контактируемых. «Отбросы» стали открытием года, в дебютный же сезон завоевали BAFTA как лучший драматический сериал.
В 2010 году Томас получила второстепенные телевизионные роли в минисериале «Бездна» и «Стэнли Парке», исчезнувшем после пилотной серии.
В 2012 году должна выйти комедия «Восемь минут лени», Антония исполнила в ней одну из ведущих ролей.
В феврале она снялась в клипе рок-группы Coldplay на песню «Charlie Brown».