Отец, Иван Осипович Петонди (архитектор, выходец из Италии, урождённый итал. Giovanni Petondi) в традициях итальянских семейных артелей с малолетства начал учить сына архитектуре. В 13 лет обучение было переведено на академическую основу — Фома стал учеником Архитекторской школы Экспедиции Кремлёвского строения. Проучился Фома всего два года и 5 июня 1812 года был принят там же на службу в качестве архитекторского помощника. Во время наполеоновского нашествия Экспедиция эвакуировалась — в Ковров и Владимир. В рапорте от 16 октября 1812 года на имя начальника Экспедиции Кремлевского строения, действительного тайного советника Петра Степановича Валуева, говорится, что «коллежский советник, архитектор Экспедиции Николай Кузьмин направляется из Ковров во Владимир в сопровождении выбранного им среди прочих архитекторского помощника канцеляриста Петонди». В декабре того же года Фома был «уволен означенной Экспедицией в отпуск на 29 дней в Орел». Этот отпуск был вынужденным, так как его отец был тяжело болен, по-видимому, неизлечимо.
Фома унаследовал после отца место орловского губернского архитектора. Начался долгий, длиной в 21 год, орловский период службы Петонди. В феврале 1813 года он уже архитектор, но без чина, в 1815 года получил должность канцеляриста в Орловской строительной комиссии, в 1816 году стал губернским секретарем, 13 марта 1820 года — коллежским секретарем. В том же году начался первый большой собственный самостоятельный проект — строительство каменного здания главного корпуса Орловской духовной семинарии. 2 апреля 1824 года Фома Иванович получил аттестат от действительного статского советника, рязанского гражданского губернатора Николая Ивановича Шредера, бывшего до того губернатором Орла, где отмечаются «ревностная служба и сверхтщательное исполнение своих обязанностей, а также показание совершенного искусства» в своей работе губернским архитектором Петонди. Под его руководством был проведен ремонт и реконструкция губернаторского и вице-губернаторского домов, казенных соляных магазинов и казармы для арестантов, за каковую отличную службу «от щедрот Монарха … всемилостивейше награждён золотыми часами». В 1826 году следует очередное повышение до чина титулярного советника. В конце 1827 года закончено строительство здания семинарии. Кроме вышеперечисленного, в Орле по проектам Фомы Ивановича строилось здание народного училища, а также, возможно, Троицкий Некрополь (во всяком случае, именно он руководил здесь работами).
11 июня 1834 года Фома Иванович Петонди приступил к своим обязанностям на посту казанского губернского архитектора. В том же году им был выстроен здесь первый дом — для купца Александрова. Следующий год он начал с переоборудования под костёл квартиры местного ксендза — после поражения Польского восстания в Казани оказалось множество ссыльных поляков католиков. Также он принимал участие в возведении Казанского Богородицкого монастыря и строил по своему проекту новую колокольню в Кизическом монастыре. Одновременно им выполнялось много частных заказов.
К Пасхе 1836 года Ф. И. Петонди получает чин коллежского асессора, в том же году приступает к строительству здания городской думы, а также городских усадеб Е. А. Боратынского и своей собственной. Последняя не уцелела, её план хранится в архиве Казанской губернской комиссии. Летом того же года умерла и была похоронена на кладбище Кизического монастыря его мать — Елизавета Филипповна Петонди. С 1837 года Ф. И. Петонди — главный архитектор строительства казанского Родионовского института благородных девиц. В 1838 году ему присвоили титул потомственного российского дворянина. В 1841 году по окончании строительства комплекса Родионовского института Фома Иванович награждается орденом св. Владимира IV степени. Тогда же началось расширение Благовещенского собора казанского кремля. В 1842 году заложен первый камень в фундамент здания гостиницы «Казань» (угол улиц Чернышевского и Мусы Джалиля, ныне (2008) идёт его реставрация).
В 1843 году архитектору присвоен чин надворного советника, он получает много частных заказов, ведёт работы по расширению Благовещенского монастыря.
В 1844 году Ф. И. Петонди был обвинён в допущении технических погрешностей при возведении Родионовского института. Против него возбудили дело, лишили должности, чинов, орденов и пенсии, после чего в течение 10 лет он добивался правды в Санкт-Петербурге, временно поселившись там, чтобы лично следить за ходом процесса. В это время в его казанской усадьбе в 1846/1847 учебном году снимали четыре комнаты студенты Казанского университета братья Толстые, среди которых был и будущий писатель Лев Толстой.
В 1854 году Фома Иванович был полностью реабилитирован. По возвращении в Казань он какое-то время продолжал служить в строительной комиссии, но уже рядовым архитектором. В 1859 году он продает свой дом Н. Г. Осокину, в 1860-м — уходит на пенсию. Умер Фома Иванович в Казани 13 июля 1874 года. Похоронили его на православном Арском кладбище. Там же похоронена и его жена Надежда Михайловна, урождённая Кузьмина.
На данный момент (2008) в Казани сохранились следующие здания, возведённые по проектам Ф. И. Петонди: