Nacido en Stignano (en el condado de Stilo), en la provincia de Reggio di Calabria, en el sur de Italia, Campanella fue un niño prodigio. Hijo de un zapatero pobre y analfabeto, ingresó en la Orden de los Dominicos antes de cumplir los catorce años, tomando el nombre de fra’ Tommaso en honor a Tomás de Aquino. Estudió teología y filosofía con varios maestros.
Pronto se desengañó de la ortodoxia aristotélica y se sintió atraído por el empirismo de Bernardino Telesio (1509-1588), que enseñaba que el conocimiento es sensación y que todas las cosas de la naturaleza poseen sensación. Campanella escribió su primera obra, Philosophia sensibus demonstrata («Filosofía demostrada por los sentidos»), publicada en 1592, en defensa de Telesio.
En 1590 estuvo en Nápoles donde se inició en la astrología; las especulaciones astrológicas se convertirían en una constante en sus escritos. Las opiniones heterodoxas de Campanella, especialmente su oposición a la autoridad de Aristóteles, le hicieron entrar en conflicto con las autoridades eclesiásticas. Denunciado a la Inquisición romana, fue arrestado en Padua en 1594 y citado ante el Santo Oficio en Roma, fue confinado en un convento hasta 1597.
Tras su liberación, Campanella regresó a Calabria, donde fue acusado de liderar una conspiración contra el dominio español en su ciudad natal de Stilo. El objetivo de Campanella era establecer una sociedad basada en la comunidad de bienes y esposas, pues basándose en las profecías de Joaquín de Fiore y en sus propias observaciones astrológicas, preveía el advenimiento de la Era del Espíritu en el año 1600. Traicionado por dos de sus compañeros de conspiración, fue capturado en 1599 y encarcelado en Nápoles, donde fue torturado en el potro. Incluso desde el encierro de la cárcel, Campanella consiguió influir en la historia intelectual de principios del siglo XVII, al mantener contactos epistolares con filósofos y científicos europeos, círculos culturales napolitanos y comisarios de Caravaggio. Finalmente, Campanella hizo una confesión completa y habría sido condenado a muerte si no hubiera fingido locura y prendido fuego a su celda. Fue torturado de nuevo, un total de siete veces. Lisiado y enfermo, Campanella fue condenado a cadena perpetua.
Campanella pasó veintisiete años encarcelado en Nápoles, en varias fortalezas. Durante su detención, escribió sus obras más importantes: La monarquía de España (1600), Aforismos políticos (1601), Atheismus triumphatus (El ateísmo conquistado, 1605-1607), Quod reminiscetur (¿1606?), Metaphysica (1609-1623), Theologia (1613-1624), y su obra más famosa, La ciudad del sol (escrita originalmente en italiano en 1602; publicada en latín en Frankfurt (1623) y más tarde en París (1638).
Defendió a Galileo Galilei en el primer juicio de éste con su obra La defensa de Galileo (escrita en 1616, publicada en 1622). En 1632, antes del segundo juicio de Galileo, Campanella escribió a Galileo:
Para mi gran disgusto he oído que los teólogos iracundos de la Congregación pretenden prohibir los Diálogos de Vuestra Excelencia, y que no estará presente nadie que entienda de matemáticas o de cosas recónditas. Tened en cuenta que, aunque Vuestra Excelencia afirma que era conveniente prohibir la teoría del movimiento de la tierra, no estáis obligados a creer que las razones de los que os contradicen sean buenas. Se trata de una regla teológica, y lo demuestra el segundo Concilio de Nicea, que decretó que Angelorum imagines depingi debent, quam’am vere corporei sunt (Las imágenes de los ángeles deben representarse tal como son en la carne): si bien el decreto es válido, el razonamiento que lo sustenta no lo es, ya que todos los estudiosos dicen hoy que los ángeles son incorpóreos. Hay muchas otras razones fundamentales. Temo la violencia de la gente que no entiende esto. Nuestro Papa hace mucho ruido en contra de esto y habla como el Papa, pero usted no ha oído hablar de eso, ni puede pensar en ello. En mi opinión, Vuestra Excelencia debería escribir al Gran Duque de Toscana, que ya que ponen en este consejo a dominicos, jesuitas, teatinos y sacerdotes seculares que están en contra de vuestros libros, nos admitan también al padre Castelli y a mí.
Campanella fue finalmente liberado de la prisión en 1626, a través del Papa Urbano VIII, quien intercedió personalmente por él ante Felipe IV de España. Llevado a Roma y retenido durante un tiempo por el Santo Oficio, Campanella recuperó la plena libertad en 1629. Vivió durante cinco años en Roma, donde fue consejero de Urbano en asuntos astrológicos.
En 1634, una nueva conspiración en Calabria, dirigida por uno de sus seguidores, amenazó con nuevos problemas. Con la ayuda del cardenal Barberini y del embajador francés de Noailles, huyó a Francia, donde fue recibido en la corte de Luis XIII con marcado favor. Protegido por el cardenal Richelieu y con una generosa pensión del rey, pasó el resto de sus días en el convento de Saint-Honoré de París. Su última obra fue un poema que celebraba el nacimiento del futuro Luis XIV (Ecloga in portentosam Delphini nativitatem).
La obra de Campanella De sensu rerum et magia (1620) inspiró en parte la primera narración de este tipo en inglés, The Golden Spy (1709) de Charles Gildon.