A dél-olaszországi Calabriában, Reggio di Calabria tartományban, Stignano (Stilo megyében) született Campanella csodagyerek volt. Egy szegény és írástudatlan suszter fia tizennégy éves kora előtt belépett a domonkos rendbe, és Aquinói Tamás tiszteletére felvette a fra’ Tommaso nevet. Több mesternél tanult teológiát és filozófiát.
Korán kiábrándult az arisztotelészi ortodoxiából, és vonzódott Bernardino Telesio (1509-1588) empirizmusához, aki azt tanította, hogy a tudás érzékelés, és hogy a természetben minden dolog érzékeléssel rendelkezik. Campanella Telesio védelmében írta első művét, a Philosophia sensibus demonstrata (“Az érzékek által bizonyított filozófia”) címűt, amely 1592-ben jelent meg.
1590-ben Nápolyban járt, ahol beavatást nyert az asztrológiába; az asztrológiai spekulációk írásaiban állandó szerepet kaptak. Campanella heterodox nézetei, különösen az Arisztotelész tekintélyével szembeni ellenállása konfliktusba hozta őt az egyházi hatóságokkal. Feljelentették a római inkvizíciónál, 1594-ben Padovában letartóztatták, és a római Szent Hivatal elé idézték. 1597-ig kolostorba zárták.
Szabadulása után Campanella visszatért Calabriába, ahol azzal vádolták, hogy szülővárosában, Stilóban összeesküvést vezetett a spanyol uralom ellen. Campanella célja egy olyan társadalom létrehozása volt, amely a javak és feleségek közösségén alapul, ugyanis Fiore-i Joachim próféciái és saját asztrológiai megfigyelései alapján előre látta a szellem korának eljövetelét az 1600-as évre. Két összeesküvő társa elárulta, 1599-ben elfogták és Nápolyban bebörtönözték, ahol kínpadon kínozták. Campanellának még a börtön fogságából is sikerült befolyásolnia a XVII. század elejének szellemtörténetét, mivel levelező kapcsolatot tartott fenn európai filozófusokkal és tudósokkal, nápolyi kulturális körökkel és Caravaggio megbízottaival. Végül Campanella teljes beismerő vallomást tett, és halálra ítélték volna, ha nem tetteti magát őrültnek, és nem gyújtja fel a celláját. Tovább kínozták, összesen hétszer. A nyomorék és beteg Campanellát életfogytiglani börtönbüntetésre ítélték.
Campanella huszonhét évet töltött börtönben Nápolyban, különböző erődökben. Fogsága alatt írta legfontosabb műveit: A spanyol monarchia (1600), Politikai aforizmák (1601), Atheismus triumphatus (Az ateizmus legyőzött, 1605-1607), Quod reminiscetur (1606?), Metaphysica (1609-1623), Theologia (1613-1624) és leghíresebb műve, A nap városa (eredetileg olaszul írta 1602-ben; latinul Frankfurtban (1623), majd Párizsban (1638) jelent meg.
A Galileo Galilei első perében ő védte Galileo Galilei védelmében című művével (1616-ban íródott, 1622-ben jelent meg). 1632-ben, Galilei második pere előtt Campanella így írt Galileinek:
Nagy undoromra hallottam, hogy a kongregáció haragos teológusai be akarják tiltani Excellenciád dialógusait, és senki sem lesz jelen, aki ért a matematikához vagy a visszás dolgokhoz. Vegye tudomásul, hogy bár Excellenciád kijelenti, hogy helyénvaló volt betiltani a Föld mozgásának elméletét, Ön nem köteles elhinni, hogy az Önnek ellentmondók indokai jók. Ez egy teológiai szabály, és ezt bizonyítja a második nikaiai zsinat, amely elrendelte, hogy Angelorum imagines depingi debent, quam’am vere corporei sunt (Az angyalok képeit úgy kell ábrázolni, ahogyan testben vannak): bár a rendelet érvényes, a mögötte álló érvelés nem az, mivel ma minden tudós azt mondja, hogy az angyalok testetlenek. Sok más alapvető ok is van. Félek, hogy erőszakot követnek el azok, akik ezt nem értik meg. A mi pápánk nagy zajt csap ez ellen, és pápaként beszél, de erről még nem hallottál, és nem is gondolkodhatsz rajta. Véleményem szerint Excellenciádnak írnia kellene a toszkánai nagyhercegnek, hogy mivel a dominikánusokat, jezsuitákat, teatinusokat és világi papokat, akik az Ön könyvei ellen vannak, beviszik ebbe a tanácsba, Castelli atyát és engem is be kellene fogadniuk.
Campanella végül 1626-ban szabadult a börtönből VIII. urbán pápa révén, aki személyesen járult közben az érdekében IV. spanyol Fülöpnél. Rómába vitték, és egy ideig a Szent Hivatal tartotta fogva, majd 1629-ben Campanella teljes szabadságát visszanyerte. Öt évig Rómában élt, ahol Urban tanácsadója volt asztrológiai kérdésekben.
1634-ben egy újabb összeesküvés Calabriában, amelyet egyik követője vezetett, újabb bajokkal fenyegetett. Barberini bíboros és de Noailles francia követ segítségével Franciaországba menekült, ahol XIII. Lajos udvarában kifejezetten kegyesen fogadták. Richelieu bíboros védelmét élvezve és a királytól bőkezű nyugdíjat kapva a párizsi Saint-Honoré kolostorban töltötte hátralévő napjait. Utolsó műve a leendő XIV. Lajos születését ünneplő vers volt (Ecloga in portentosam Delphini nativitatem).
Campanella De sensu rerum et magia (1620) című műve részben inspirálta az első teljes értékű angol nyelvű it-narratívát, Charles Gildon The Golden Spy (1709) című művét.