В 1977 году Томас Райтер окончил гимназию имени Гёте в Ной-Изенбурге. В 1984 году Райтер окончил Университет вооруженных сил в Мюнхене по специальности космических технологий, а в 1992 году — школу лётчиков-испытателей (Empire Test Pilots School) в Англии. Райтер имеет налёт более 2000 часов на 15 различных типах самолётов. Райтер — бригадный генерал военно-воздушных сил Германии.
В 1992 году Райтер был отобран в группу космонавтов Европейского космического агентства. С 1993 года он проходил подготовку к космическому полёту в центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина по программе «ЕвроМир95».
С октября 1996 по июль 1997 года Райтер проходил подготовку в качестве командира корабля типа «Союз» и получил сертификат командира «Союза» во время спуска с орбиты и приземления.
Свой первый космический полёт Томас Райтер совершил в качестве 2-го бортинженера корабля «Союз ТМ-22» и 20-й основной экспедиции на космической станции «Мир». Командиром экипажа был Юрий Гидзенко, 1-м бортинженером — Сергей Авдеев. Корабль «Союз ТМ-22» стартовал с космодрома Байконур 3 сентября 1995 года и 5 сентября состыковался со станцией «Мир». В это время на станции «Мир» находился экипаж 19-й основной экспедиции Анатолий Соловьёв и Николай Бударин. Космонавты Соловьёв и Бударин покинули станцию 11 сентября 1995 года. 15 ноября 1995 года к станции «Мир» прибыл американский шаттл «Атлантис» STS-74. 23 февраля 1996 года к станции пристыковался корабль «Союз ТМ-23», на котором прибыли космонавты 21-й основной экспедиции «Мир»: Юрий Онуфриенко и Юрий Усачёв. Гидзенко, Авдеев и Райтер вернулись на Землю 29 февраля 1996 года.
Во время этой экспедиции Томас Райтер провёл в космосе 179 суток 1 час и 41 минуту. В ходе полёта Томас Райтер выполнил два выхода в открытый космос общей продолжительностью 8 часов 22 минуты. Райтер — первый немецкий космонавт, который выполнил выход в открытый космос.
4 июля 2006 года Райтер отправился во второй космический полёт на американском шаттле Дискавери STS-121, совершавшем экспедицию посещения на Международную космическую станцию, где работали Павел Виноградов и Джеффри Уильямс. Прибыв 6 июля 2006 на МКС, Райтер перешёл в экипаж основной экспедиции в качестве второго бортинженера и проработал на станции более пяти месяцев. Во время этого полёта состоялся третий для него выход в открытый космос, длительность которого составила 5 ч 54 мин. Возвратился на Землю Райтер вновь на шаттле, теперь уже на Дискавери STS-116, 22 декабря 2006. Продолжительность полёта 171 сутки 3 ч 54 мин 5 с.
Томас Райтер — единственный из немецких космонавтов, совершавший длительные орбитальные полёты. Общий космический налёт Райтера составил 350 суток 5 ч 36 мин, что многократно превышает аналогичные показатели его коллег из Германии.
В августе 2007 года Райтер покинул отряд космонавтов ЕКА и был назначен членом Совета директоров Германского авиационно-космического центра (DLR — Deutsches Zentrum f?r Luft- und Raumfahrt).
Райтер женат, имеет двух детей.