Geboren in Stignano (in der Gemeinde Stilo) in der Provinz Reggio di Calabria in Kalabrien, Süditalien, war Campanella ein Wunderkind. Als Sohn eines armen und ungebildeten Schusters trat er noch vor seinem vierzehnten Lebensjahr in den Dominikanerorden ein und nahm den Namen fra‘ Tommaso zu Ehren von Thomas von Aquin an. Er studierte Theologie und Philosophie bei verschiedenen Meistern.
Schon früh wurde er von der aristotelischen Orthodoxie enttäuscht und vom Empirismus des Bernardino Telesio (1509-1588) angezogen, der lehrte, dass Wissen Empfindung ist und dass alle Dinge in der Natur Empfindung besitzen. Campanella schrieb sein erstes Werk, Philosophia sensibus demonstrata („Philosophie durch die Sinne demonstriert“), das 1592 veröffentlicht wurde, um Telesio zu verteidigen.
Im Jahr 1590 hielt er sich in Neapel auf, wo er in die Astrologie eingeweiht wurde; astrologische Spekulationen sollten ein ständiger Bestandteil seiner Schriften werden. Campanellas heterodoxe Ansichten, insbesondere seine Ablehnung der Autorität des Aristoteles, brachten ihn in Konflikt mit den kirchlichen Behörden. Er wurde bei der römischen Inquisition angezeigt, 1594 in Padua verhaftet und vor das Heilige Offizium in Rom zitiert, wo er bis 1597 in einem Kloster eingesperrt war.
Nach seiner Befreiung kehrte Campanella nach Kalabrien zurück, wo er beschuldigt wurde, eine Verschwörung gegen die spanische Herrschaft in seiner Heimatstadt Stilo angeführt zu haben. Campanellas Ziel war es, eine Gesellschaft zu errichten, die auf der Gemeinschaft von Gütern und Frauen basierte, denn auf der Grundlage der Prophezeiungen von Joachim von Fiore und seiner eigenen astrologischen Beobachtungen sah er das Aufkommen des Zeitalters des Geistes im Jahr 1600 voraus. Von zwei seiner Mitverschwörer verraten, wurde er 1599 gefangen genommen und in Neapel eingekerkert, wo er auf der Folterbank gequält wurde. Jahrhunderts zu beeinflussen, indem er briefliche Kontakte mit europäischen Philosophen und Wissenschaftlern, neapolitanischen Kulturkreisen und den Auftraggebern Caravaggios unterhielt. Schließlich legte Campanella ein umfassendes Geständnis ab und wäre zum Tode verurteilt worden, hätte er nicht den Wahnsinn vorgetäuscht und seine Zelle in Brand gesetzt. Er wurde weiter gefoltert, insgesamt sieben Mal. Verkrüppelt und krank wurde Campanella zu lebenslanger Haft verurteilt.
Campanella verbrachte siebenundzwanzig Jahre in verschiedenen Festungen in Neapel in Gefangenschaft. Während seiner Gefangenschaft schrieb er seine wichtigsten Werke: Die Monarchie von Spanien (1600), Politische Aphorismen (1601), Atheismus triumphatus (Atheismus besiegt, 1605-1607), Quod reminiscetur (1606?), Metaphysica (1609-1623), Theologia (1613-1624) und sein berühmtestes Werk, Die Stadt der Sonne (ursprünglich 1602 auf Italienisch geschrieben; auf Lateinisch in Frankfurt (1623) und später in Paris (1638) veröffentlicht).
Er verteidigte Galileo Galilei in Galileis erstem Prozess mit seinem Werk Die Verteidigung Galileis (geschrieben 1616, veröffentlicht 1622). Im Jahr 1632, vor Galileis zweitem Prozess, schrieb Campanella an Galilei:
Zu meinem großen Entsetzen habe ich gehört, dass zornige Theologen der Kongregation die Dialoge Eurer Exzellenz verbieten wollen, und dass niemand anwesend sein wird, der etwas von Mathematik oder geheimen Dingen versteht. Seien Sie sich darüber im Klaren, dass Eure Exzellenz zwar erklärt, dass es angebracht war, die Theorie der Erdbewegung zu verbieten, dass Sie aber nicht verpflichtet sind, die Gründe derer, die Ihnen widersprochen haben, für gut zu halten. Dies ist eine theologische Regel und wird durch das zweite Konzil von Nizäa bewiesen, das verfügte, dass Angelorum imagines depingi debent, quam’am vere corporei sunt (Engelbilder müssen so dargestellt werden, wie sie leibhaftig sind): Das Dekret ist zwar gültig, aber die Begründung dafür ist es nicht, da alle Gelehrten heute sagen, dass Engel unkörperlich sind. Es gibt noch viele andere grundlegende Gründe. Ich fürchte Gewalt von Menschen, die das nicht verstehen. Unser Papst macht viel Lärm dagegen und spricht als Papst, aber davon haben Sie nichts gehört und können auch nicht darüber nachdenken. Meiner Meinung nach sollten Eure Exzellenz an den Großherzog der Toskana schreiben, dass sie, da sie Dominikaner, Jesuiten, Theatiner und weltliche Priester, die gegen Eure Bücher sind, in dieses Konzil aufnehmen, auch Pater Castelli und mich zulassen sollten.
Campanella wurde schließlich 1626 durch Papst Urban VIII. aus dem Gefängnis entlassen, der persönlich für ihn bei Philipp IV. von Spanien intervenierte. Nach Rom gebracht und eine Zeit lang vom Heiligen Offizium festgehalten, wurde Campanella 1629 wieder in die Freiheit entlassen. Er lebte fünf Jahre lang in Rom, wo er Urbans Berater in astrologischen Angelegenheiten war.
Im Jahr 1634 drohte eine neue Verschwörung in Kalabrien, die von einem seiner Anhänger angeführt wurde, neue Unruhen. Mit Hilfe von Kardinal Barberini und dem französischen Botschafter de Noailles floh er nach Frankreich, wo er am Hof Ludwigs XIII. mit großer Gunst empfangen wurde. Unter dem Schutz von Kardinal Richelieu und mit einer großzügigen Rente des Königs verbrachte er den Rest seines Lebens im Kloster Saint-Honoré in Paris. Sein letztes Werk war ein Gedicht, das die Geburt des zukünftigen Ludwig XIV. feierte (Ecloga in portentosam Delphini nativitatem).
Campanellas De sensu rerum et magia (1620) inspirierte teilweise die erste vollwertige It-Erzählung in englischer Sprache, Charles Gildons The Golden Spy (1709).