По происхождению англичанин; родом из небогатой квакерской семьи. Образование его ограничивалось местной школой, в которой он даже не выучил латынь. В молодости Пейн служил в акцизной конторе. Зная о его способностях к красноречию, начальство попросило его написать прошение повысить зарплату. Он написал письмо к правительству, по каким-то причинам его перечитывать не стали и отправили. В нем Пейн с детской непосредственностью написал: «Повысьте нам, пожалуйста, зарплату, а то она у нас маленькая, что нам ничего не остается, как брать взятки». И подробно описал, кто берет, когда и сколько. После этого всю акцизную контору отправили под суд. Однако сам Пейн успел скрыться, сел на корабль и в 1774 году прибыл в Америку, с рекомендательным письмом от Франклина, с которым познакомился в Англии. Это было как раз накануне разрыва Соединенных Штатов с Англией. На громадном митинге, собранном по этому поводу, Пейн описал самыми мрачными красками тогдашнее правительство Англии, и уверял, что от него добра не дождешься, и советовал американцам объявить о независимости.
В 1775 году Пейн, по поручению конгресса и сенатора, отвез в Англию прошение колонистов к королю. Это прошение так и осталось без ответа, а Пейн вернулся в Америку, где издал брошюру «Здравый смысл» (Common Sense), в которой доказывал, что каждый народ имеет полное право устроить у себя правительство, какое ему нравится. По словам Вашингтона, брошюра Пейна произвела переворот в умах. После того, как была написана декларация независимости, и началась война между Англией и Соединенными Штатами, Пейн отправился в лагерь Вашингтона, и стал издавать газету «Американский Кризис», поддерживая мужество небольшой американской армии. Одна из его статей была, по приказанию Дж. Вашингтона, прочитана войскам вместо дневного приказа, и до того вдохновила солдат, что, бросаясь в бой с англичанами, они повторяли начальные слова статьи Пейна: «Настало время испытать силу человеческой души!».
Благодаря изданным сочинениям Пейн сделался самым популярным, после Дж. Вашингтона, человеком в Америке. В 1780 году, когда Чарльстон был взят английскими войсками, и Вашингтон очутился в самом отчаянном положении, для покрытия чрезвычайных военных расходов Пейн предложил устроить национальную подписку, и первый подписал 500 долларов. В 1781 году Пейн был отправлен американским правительством в Париж для переговоров о получении займа, и выполнил это поручение успешно.
По окончании войны Пейн возвратился в Англию. Вспыхнувшую в 1789 году французскую революцию Пейн, наряду с Бернсом и Вордсвортом, приветствовал как зарю свободы для всего человечества. Когда в 1790 году Бёрк издал свои «Размышление о французской революции», Пейн возражал ему обширной брошюрой «Права человека» (Rights of Man), в которой отстаивал естественные, прирожденные права человека. По мнению Пейна, человек вступает в общественный союз не для умаления прирожденных ему прав, а для их обеспечения; уступая часть своих прав в интересах общества, он оставляет за собой свободу мысли, свободу религиозной совести и право делать для своего счастья все, что не вредит другим. Полемизируя по этому вопросу с Бёрком, Пейн горячо защищает новую конституцию Франции, дающую право голоса всем, кто платит хоть самую ничтожную подать, и дает злую характеристику английской конституции, которая вся направлена к тому, чтобы дать королю средства подкупать своих подданных. Задетое за живое, правительство решилось преследовать автора брошюры.
В мае 1792 года Пейн был предан суду по обвинению в оскорблении короля и конституции. Пейн не мог присутствовать на суде; избранный членом национального конвента, он жил в Париже, поручив защиту своей книги и личности знаменитому адвокату Томасу Эрскину. Несмотря на блестящую речь Эрскина, возбудившую энтузиазм у молодежи, присяжные признали Пейна виновным. Не имея возможности посадить в тюрьму автора брошюры, правительство подвергло преследованию всех тех, у кого можно было её найти. Как член конвента, Пейн был сторонником жирондистов и всегда голосовал вместе с ними. В процессе против короля он стоял за изгнание Людовика XVI и предупреждал собрание, что казнь короля будет громадной политической ошибкой, и произведет крайне неблагоприятное впечатление в Америке, где Людовик XVI очень популярен. Вместо казни он советовал отправить короля в изгнание в Америку; там он увидит, «как растет общественное благосостояние при республиканском правлении, основанном на свободе и на справедливом представительстве».
Монтаньяры не могли простить Пейну его заступничества за короля; после падения жирондистов он был арестован, приговорен к смерти и спасся только благодаря счастливой случайности. Во время своего заключения Пейн написал свое знаменитое сочинение: «Век Разума» (The Age of Reason), в котором пытался приложить приемы рационалистической критики к объяснению Библии.
В 1804 г. Пейн отправился в Америку. Президент Джефферсон, помня заслуги Пейна в деле американской свободы, предоставил в его распоряжение целый корабль. Думая, что его и теперь примут с восторгом, Пейн жестоко ошибся в своих расчетах. «Век Разума» вооружил против него религиозно настроенное американское общество; подстрекаемые духовенством, прежние друзья отвернулись от него. Он не мог перенести этого, и стал искать утешение в вине.
Пейн умер в Нью-Йорке, оставленный почти всеми, но спокойный, с утешительным сознанием, что прожил жизнь недаром. «Жизнь моя, — писал он к одному из своих приятелей за несколько дней до смерти, — была полезна для человечества; я, насколько мог, делал добро и умираю спокойно, надеясь на милосердие Создателя».
В религиозных воззрениях Пейн был последователем английских деистов; целью его было поколебать, как он выражался, библейскую и христианскую мифологию. В 1795 году Пейн издал небольшой трактат, в котором резюмировал свои политические убеждения.
В 1797 году он основал, в противовес обществу атеистов, теофилантропический кружок, в заседаниях которого излагал основы своей, очищенной от суеверий, религии.
Пейн был типическим представителем как политического, так и религиозного рационализма. Никто так не доверял человеческому разуму, как он. Он был самоучкой, многого не знал и потому нередко говорил наивности, которые живо подхватывались его врагами. Несомненно, однако, что он отличался здравым смыслом, сильной логикой и замечательной ясностью изложения. Это был народный трибун в полном смысле этого слова, не только потому, что умел говорить языком понятным народу, но и потому, что руководящей идеей его жизни было служение народу. К известному выражению Франклина: «Мое отечество там, где свобода», Пейн сделал такую поправку: «Мое отечество там, где нет свободы, но где люди бьются, чтоб добыть ее». Слова эти — его лучшая характеристика.
Анализируя формы государства, Пейн различал «старые» (монархические) и «новые» (республиканские) формы. В основу этой классификации были положены принципы образования правления — наследование или выборность. Правление, основанное на передаче власти по наследству, он называл «самым несправедливым и несовершенным из всех систем правления». Не имея под собой никакой правовой основы, утверждал Пейн, такая власть неизбежно является тиранической, узурпирующей народный суверенитет. Абсолютные монархии «являются позором для человеческой природы».