В сентябре 1912 года Вильгельм Тома начал военную службу фанен-юнкером (кандидат в офицеры) в 3-м Баварском пехотном полку. С октября 1913 года до начала Первой мировой войны обучался в Мюнхенском военном училище.
С началом мировой войны, 2 августа 1914 года, получил звание лейтенанта и направлен служить в 3-й Баварский пехотный полк (Западный фронт). 25 сентября 1914 года получил пулевое ранение в голову, остался на фронте. 28 сентября 1914 года назначен командиром роты. 2 октября 1914 года — второе ранение, шрапнелью в правую руку. Награждён Железным крестом 2-й степени и баварским орденом.
В январе 1915 года назначен полковым адъютантом 3-го Баварского пехотного полка, переведённого на Восточный фронт, в Галицию. В июне 1915 года награждён Железным крестом 1-й степени.
В октябре 1915 года — на Сербском фронте, третье ранение (осколочное в грудь), награждён австрийским орденом. В начале 1916 года — на Западном фронте (Верден), с лета 1916 года вновь на Восточном фронте, участвовал в отражении «Брусиловского прорыва». За командование в арьергардных боях в июле 1916 года лейтенант Тома был награждён Баварским Рыцарским крестом Макса-Йозефа, высшей воинской наградой, которая дала ему титул «риттер фон» (дворянство в ранге рыцаря).
С апреля 1917 по март 1918 года — обучался на различных военных курсах, в декабре 1917 года произведён в обер-лейтенанты.
С апреля 1918 года — вновь на Западном фронте, 25 апреля 1918 года ранен четвёртый раз (осколочное ранение левой руки). 2 мая 1918 года назначен командиром пулемётной роты, а 14 мая 1918 года — командиром 1-го батальона 3-го Баварского пехотного полка.
18 июля 1918 года, в ходе наступления французских и американских войск в районе Суассона, взят в плен американцами.
27 октября 1919 года освобождён из плена, после отпуска с февраля 1920 года обер-лейтенант фон Тома продолжил службу в рейхсвере — командиром роты, затем батальонным адъютантом.
В ноябре 1923 года участвовал в подавлении нацистского путча в Мюнхене.
С февраля 1925 года — капитан, служил на различных командных и штабных должностях (уровня рота-батальон), обучался на различных военных курсах. С апреля 1934 года — майор.
В августе 1934 года направлен в учебную моторизованную часть (Эрдруф), которая стала ядром будущих бронетанковых войск вермахта.
В октябре 1935 года майор фон Тома назначен командиром 2-го батальона 4-го танкового полка 2-й танковой дивизии. С августа 1936 года — подполковник.
23 сентября 1936 года подполковник фон Тома назначен командиром танкового подразделения немецкого легиона «Кондор», воевавшего в Испании на стороне правых.
Танковое подразделение легиона (уровня батальона) было оснащено лёгкими немецкими танками PzKw I (по советской терминологии — Т-1), с противопульным бронированием, двумя членами экипажа и вооружёнными спаренным пулемётом. В этом подразделении немецкие инструкторы обучали испанских танкистов. Впоследствии использовались также трофейные танки советского производства, в основном Т-26.
Немецкие инструкторы, в том числе и сам фон Тома, принимали участие в боевых действиях танковых сил.
С апреля 1938 года — фон Тома в звании полковника, по возвращении из Испании (июнь 1939 года) — награждён немецким орденом Испанский крест с золотыми мечами и бриллиантами (высшая степень ордена, один из 28 награждённых). Фон Тома также был награждён двумя медалями Испании.
По возвращении из Испании полковник фон Тома назначен командиром 3-го танкового полка 2-й танковой дивизии.
В ходе Польской кампании 2-я танковая дивизия дошла до реки Сан, на линию разграничения зон оккупации Польши Германией и СССР. За эту кампанию фон Тома был награждён планками к Железным крестам обеих степеней (повторное награждение).
С начала 1940 года — в штабе верховного командования сухопутных сил, с августа 1940 года — генерал-майор, инспектор мобильных войск.
В июле — сентябре 1941 года — командир 17-й танковой дивизии.
С октября 1941 года генерал-майор фон Тома командует 20-й танковой дивизией, наступавшей в составе группы армий «Центр» на Москву. 31 декабря 1941 года фон Тома награждён Рыцарским крестом.
Летом 1942 года — в распоряжении командования сухопутных сил, с августа 1942 года — генерал-лейтенант.
1 сентября 1942 года назначен командующим Немецким Африканским корпусом. 1 ноября 1942 года произведён в звание генерала танковых войск.
23 октября 1942 года началась битва при Аль-Аламейне — наступление британской армии на немецко-итальянские войска. Роммель, командовавший Африканской армией, понёсшей большие потери, намеревался отвести войска из Египта в Ливию, однако Гитлер 1 ноября дал приказ удерживать позиции. Генерал фон Тома, согласно некоторым источникам, назвал этот приказ «сумасшествием», а 3 ноября лично, в одном из танков, отправился на линию фронта.
4 ноября 1942 года генерал танковых войск фон Тома был взят в плен британцами. Находясь в плену, в знак милосердия к поверженному врагу был приглашен генералом Монтгомери на обед. Этот факт вызвал скандал в английской прессе. Узнав об этом, Черчилль с присущим ему юмором сказал в Палате общин: «Бедный фон Тома! Мне тоже доводилось обедать с Монтгомери!».
25 ноября 1947 года фон Тома был освобождён из плена, через пять месяцев скончался от сердечного приступа.