С четырёхлетнего возраста Тома, обнаружив замечательные музыкальные способности, стал заниматься под руководством своего отца, также музыканта. В Парижской консерватории был учеником Дурлена по гармонии, Лесюэра по теории композиции и Калькбреннера по фортепиано; затем прожил три года в Италии. Оперы его «Миньон» (1866) и «Гамлет» (1868) обошли все первоклассные сцены Европы. Написал также балеты «Цыганка», «Бетти» и Буря», оперы «Раймон», «Песня летней ночи», «Франческа да Римини», кантаты, марши, мотеты, квинтеты, квартеты, ноктюрны, хоры и пр. Грациозная мелодичная музыка и замечательно тонкая оркестровка поставили Тома в ряд значительнейших французских композиторов. С 1852 года Амбруаз Тома преподавал в Парижской консерватории, а с 1871 года являлся её директором. Среди учеников Тома — Жюль Массне.