Narodil se ve Stignanu (v kraji Stilo) v provincii Reggio di Calabria v Kalábrii na jihu Itálie a byl zázračným dítětem. Syn chudého a negramotného ševce vstoupil před dosažením čtrnácti let do dominikánského řádu a přijal jméno fra‘ Tommaso na počest Tomáše Akvinského. Studoval teologii a filozofii u několika mistrů.
Brzy se rozčaroval z aristotelské ortodoxie a zaujal ho empirismus Bernardina Telesia (1509-1588), který učil, že poznání je smyslové a že všechny věci v přírodě mají smysly. Na obranu Telesia napsal Campanella své první dílo Philosophia sensibus demonstrata („Filosofie prokázaná smysly“), které vyšlo v roce 1592.
V roce 1590 pobýval v Neapoli, kde byl zasvěcen do astrologie; astrologické spekulace se stanou stálou součástí jeho spisů. Campanellovy heterodoxní názory, zejména jeho odpor k autoritě Aristotela, ho přivedly do konfliktu s církevními autoritami. Byl udán římské inkvizici, v roce 1594 byl zatčen v Padově a předvolán před Svaté oficium v Římě, do roku 1597 byl vězněn v klášteře.
Po osvobození se Campanella vrátil do Kalábrie, kde byl obviněn z vedení spiknutí proti španělské nadvládě v rodném městě Stilo. Campanellovým cílem bylo založit společnost založenou na společenství zboží a manželek, neboť na základě proroctví Joachima z Fiore a vlastních astrologických pozorování předvídal příchod věku Ducha v roce 1600. Byl zrazen dvěma svými spoluspiklenci, v roce 1599 byl zajat a uvězněn v Neapoli, kde byl mučen na skřipci. I z vězení se Campanellovi podařilo ovlivnit intelektuální dějiny počátku sedmnáctého století tím, že udržoval epistolární kontakty s evropskými filozofy a vědci, neapolskými kulturními kruhy a Caravaggiovými objednavateli. Nakonec se Campanella plně přiznal a byl by odsouzen k smrti, kdyby nepředstíral šílenství a nezapálil svou celu. Byl dále mučen, celkem sedmkrát. Zmrzačený a nemocný Campanella byl odsouzen k doživotnímu vězení.
Campanella strávil dvacet sedm let ve vězení v Neapoli, v různých pevnostech. Během svého věznění napsal svá nejvýznamnější díla: Španělská monarchie (1600), Politické aforismy (1601), Atheismus triumphatus (Ateismus zvítězil, 1605-1607), Quod reminiscetur (1606?), Metaphysica (1609-1623), Theologia (1613-1624) a své nejslavnější dílo Sluneční město (původně napsané italsky v roce 1602; latinsky vyšlo ve Frankfurtu (1623) a později v Paříži (1638).
Obhajoval Galilea Galileiho v prvním Galileově procesu svým dílem Galileova obhajoba (napsáno v roce 1616, vydáno v roce 1622). V roce 1632, před druhým Galileovým procesem, Campanella Galileovi napsal:
K mému velkému znechucení jsem se doslechl, že hněviví teologové kongregace mají za cíl zakázat Dialogy Vaší Excelence a nebude přítomen nikdo, kdo rozumí matematice nebo rekognici. Uvědomte si, že Vaše Excelence sice uvádí, že bylo vhodné zakázat teorii pohybu Země, ale nejste povinni věřit, že důvody těch, kteří Vám odporovali, jsou dobré. To je teologické pravidlo a dokládá to druhý nicejský koncil, který vydal dekret, že Angelorum imagines depingi debent, quam’am vere corporei sunt (Obrazy andělů musí být zobrazovány tak, jak jsou v těle): dekret je sice platný, ale jeho zdůvodnění nikoli, protože všichni učenci dnes tvrdí, že andělé jsou netělesní. Existuje mnoho dalších zásadních důvodů. Obávám se násilí ze strany lidí, kteří to nechápou. Náš papež proti tomu dělá mnoho hluku a mluví jako papež, ale o tom jste neslyšeli, ani o tom nemůžete přemýšlet. Podle mého názoru by Vaše Excelence měla napsat toskánskému velkovévodovi, že když na tento koncil dosazují dominikány, jezuity, bohoslovce a světské kněze, kteří jsou proti vašim knihám, měli by přijmout také otce Castelliho a mě.
Campanella byl nakonec propuštěn z vězení v roce 1626 díky papeži Urbanu VIII, který se za něj osobně přimluvil u španělského krále Filipa IV. Campanella byl převezen do Říma a nějakou dobu držen Svatým oficiem, ale v roce 1629 byl opět plně propuštěn na svobodu. Pět let žil v Římě, kde byl Urbanovým poradcem v astrologických záležitostech.
V roce 1634 hrozilo nové spiknutí v Kalábrii, vedené jedním z jeho stoupenců, novými problémy. S pomocí kardinála Barberiniho a francouzského velvyslance de Noailles uprchl do Francie, kde byl na dvoře Ludvíka XIII. přijat s výraznou přízní. Pod ochranou kardinála Richelieu a s velkou penzí od krále strávil zbytek života v pařížském klášteře Saint-Honoré. Jeho posledním dílem byla báseň oslavující narození budoucího Ludvíka XIV (Ecloga in portentosam Delphini nativitatem).
Campanellovo dílo De sensu rerum et magia (1620) částečně inspirovalo první plnohodnotný it-narativ v angličtině, Zlatý špión Charlese Gildona (1709).