Syntynyt Stignanossa (Stilon piirikunnassa) Reggio di Calabrian maakunnassa Calabriassa Etelä-Italiassa, Campanella oli ihmelapsi. Köyhän ja lukutaidottoman suutarin poika, hän liittyi dominikaaniritarikuntaan ennen neljätoistavuotiaana ja otti nimen fra’ Tommaso Tuomas Akvinolaisen kunniaksi. Hän opiskeli teologiaa ja filosofiaa useiden mestareiden johdolla.
Varhain hän pettyi aristoteeliseen ortodoksisuuteen ja tunsi vetoa Bernardino Telesion (1509-1588) empirismiin, joka opetti, että tieto on aistimus ja että kaikilla luonnon asioilla on aistimus. Campanella kirjoitti ensimmäisen teoksensa Philosophia sensibus demonstrata (”Aistien osoittama filosofia”), joka julkaistiin vuonna 1592 ja jossa hän puolusti Telesiota.
Vuonna 1590 Campanella oli Napolissa, jossa hänet perehdytettiin astrologiaan; astrologisista spekulaatioista tulisi jatkuva osa hänen kirjoituksiaan. Campanellan heterodoksiset näkemykset, erityisesti Aristoteleen auktoriteetin vastustaminen, toivat hänet konfliktiin kirkollisten viranomaisten kanssa. Hänet ilmiannettiin Rooman inkvisitiolle, ja hänet pidätettiin Padovassa vuonna 1594, ja hän joutui Rooman pyhän kanslian kuultavaksi, ja hänet vangittiin luostariin vuoteen 1597 asti.
Vapautumisensa jälkeen Campanella palasi Calabriaan, jossa häntä syytettiin espanjalaisten vallan vastaisen salaliiton johtamisesta kotikaupungissaan Stilossa. Campanellan tavoitteena oli perustaa tavaroiden ja vaimojen yhteisyyteen perustuva yhteiskunta, sillä Joakim Fioren profetioiden ja omien astrologisten havaintojensa perusteella hän ennusti Hengen aikakauden tuloa vuonna 1600. Kahden salaliittolaistoverinsa pettämänä hänet vangittiin vuonna 1599 ja vangittiin Napoliin, jossa häntä kidutettiin kidutushyllyllä. Jopa vankilan vankeudesta käsin Campanella onnistui vaikuttamaan 1600-luvun alun älylliseen historiaan ylläpitämällä kirjeenvaihtoyhteyksiä eurooppalaisiin filosofeihin ja tiedemiehiin, napolilaisiin kulttuuripiireihin ja Caravaggion tilaajiin. Lopulta Campanella teki täydellisen tunnustuksen, ja hänet olisi teloitettu, ellei hän olisi teeskennellyt hulluutta ja sytyttänyt selliään tuleen. Häntä kidutettiin edelleen, yhteensä seitsemän kertaa. Rampana ja sairaana Campanella tuomittiin elinkautiseen vankeuteen.
Campanella vietti kaksikymmentäseitsemän vuotta vangittuna Napolissa, eri linnoituksissa. Vankeutensa aikana hän kirjoitti tärkeimmät teoksensa: Espanjan monarkia (1600), Poliittisia aforismeja (1601), Atheismus triumphatus (Ateismi valloitettu, 1605-1607), Quod reminiscetur (1606?), Metaphysica (1609-1623), Theologia (1613-1624) ja hänen tunnetuin teoksensa Auringon kaupunki (alun perin italiaksi 1602; julkaistu latinaksi Frankfurtissa (1623) ja myöhemmin Pariisissa (1638).
Hän puolusti Galileo Galileita Galilein ensimmäisessä oikeudenkäynnissä teoksellaan The Defense of Galileo (kirjoitettu 1616, julkaistu 1622). Vuonna 1632, ennen Galileon toista oikeudenkäyntiä, Campanella kirjoitti Galileolle:
Suureksi inhokseni olen kuullut, että kongregaation vihaiset teologit pyrkivät kieltämään Teidän Ylhäisyytenne dialogit, eikä paikalla ole ketään, joka ymmärtäisi matematiikkaa tai takaperoisia asioita. Olkaa tietoinen siitä, että vaikka Teidän Ylhäisyytenne toteaakin, että oli aiheellista kieltää teoria maapallon liikkeestä, Teidän ei ole pakko uskoa, että Teidän Ylhäisyytenne vastustaneiden perustelut ovat hyviä. Tämä on teologinen sääntö, ja sen todistaa Nikean toinen konsiili, joka määräsi, että Angelorum imagines depingi debent, quam’am’am vere corporei sunt (enkelien kuvat on kuvattava sellaisina kuin ne ovat lihassa): vaikka määräys on pätevä, sen taustalla olevat perustelut eivät ole, sillä kaikki oppineet sanovat nykyään, että enkelit ovat ruumiittomia. On monia muitakin perustavanlaatuisia syitä. Pelkään väkivaltaa ihmisiltä, jotka eivät ymmärrä tätä. Paavimme pitää paljon meteliä tätä vastaan ja puhuu paavina, mutta te ette ole kuulleet siitä, ettekä voi ajatella sitä. Minun mielestäni Teidän Ylhäisyytenne pitäisi kirjoittaa Toscanan suurherttualle, että koska he laittavat tähän neuvostoon dominikaaneja, jesuiittoja, teatolaisia ja maallisia pappeja, jotka vastustavat kirjojanne, heidän pitäisi ottaa mukaan myös isä Castelli ja minä.
Campanella vapautui lopulta vankilasta vuonna 1626 paavi Urbaani VIII:n välityksellä, joka henkilökohtaisesti välitti hänen puolestaan Espanjan Filip IV:lle. Campanella vietiin Roomaan ja pidettiin jonkin aikaa pyhän kanslian hallussa, mutta hänet palautettiin täyteen vapauteen vuonna 1629. Hän asui viisi vuotta Roomassa, jossa hän toimi Urbanin neuvonantajana astrologisissa kysymyksissä.
Vuonna 1634 uusi salaliitto Calabriassa, jota johti yksi hänen seuraajistaan, uhkasi uusia ongelmia. Kardinaali Barberinin ja Ranskan lähettilään de Noailles’n avustuksella hän pakeni Ranskaan, jossa hänet otettiin Ludvig XIII:n hovissa vastaan huomattavan suopeasti. Kardinaali Richelieun suojeluksessa ja kuninkaan myöntämän avokätisen eläkkeen turvin hän vietti loppuelämänsä Saint-Honorén luostarissa Pariisissa. Hänen viimeinen teoksensa oli runo, jossa juhlistettiin tulevan Ludvig XIV:n syntymää (Ecloga in portentosam Delphini nativitatem).
Campanellan De sensu rerum et magia (1620) inspiroi osittain ensimmäistä englanninkielistä täysimittaista it-kertomusta, Charles Gildonin Kultainen vakooja (The Golden Spy, 1709).