Geboren in Stignano (in het graafschap Stilo) in de provincie Reggio di Calabria in Calabrië, Zuid-Italië, was Campanella een wonderkind. Als zoon van een arme en ongeletterde schoenmaker trad hij vóór zijn veertiende in de Dominicaanse Orde en nam de naam fra’ Tommaso aan ter ere van Thomas van Aquino. Hij studeerde theologie en filosofie bij verschillende meesters.
Al vroeg raakte hij ontgoocheld over de Aristotelische orthodoxie en aangetrokken door het empirisme van Bernardino Telesio (1509-1588), die leerde dat kennis gewaarwording is en dat alle dingen in de natuur gewaarwording bezitten. Campanella schreef zijn eerste werk, Philosophia sensibus demonstrata (“Filosofie aangetoond door de zintuigen”), gepubliceerd in 1592, ter verdediging van Telesio.
In 1590 was hij in Napels waar hij ingewijd werd in de astrologie; astrologische speculaties zouden een vast onderdeel worden van zijn geschriften. Campanella’s heterodoxe opvattingen, vooral zijn verzet tegen het gezag van Aristoteles, brachten hem in conflict met de kerkelijke autoriteiten. Aangeklaagd bij de Romeinse inquisitie, werd hij in 1594 in Padua gearresteerd en voor het Heilig Officie in Rome gedaagd, waar hij tot 1597 in een klooster werd opgesloten.
Na zijn vrijlating keerde Campanella terug naar Calabrië, waar hij werd beschuldigd van het leiden van een samenzwering tegen de Spaanse overheersing in zijn geboorteplaats Stilo. Campanella streefde naar de oprichting van een samenleving gebaseerd op de gemeenschap van goederen en vrouwen, want op basis van de profetieën van Joachim van Fiore en zijn eigen astrologische waarnemingen voorzag hij de komst van het Tijdperk van de Geest in het jaar 1600. Verraden door twee van zijn mede-samenzweerders, werd hij in 1599 gevangen genomen en opgesloten in Napels, waar hij werd gefolterd op de pijnbank. Zelfs vanuit de beslotenheid van de gevangenis slaagde Campanella erin de intellectuele geschiedenis van de vroege zeventiende eeuw te beïnvloeden, door epistolaire contacten te onderhouden met Europese filosofen en wetenschappers, Napolitaanse culturele kringen en de opdrachtgevers van Caravaggio. Uiteindelijk bekende Campanella alles en zou ter dood zijn gebracht als hij niet had gedaan alsof hij gek was geworden en zijn cel in brand had gestoken. Hij werd verder gemarteld, in totaal zeven keer. Verlamd en ziek werd Campanella veroordeeld tot levenslange gevangenisstraf.
Campanella bracht zevenentwintig jaar door in gevangenschap in Napels, in verschillende forten. Tijdens zijn gevangenschap schreef hij zijn belangrijkste werken: De Monarchie van Spanje (1600), Politieke Aforismen (1601), Atheismus triumphatus (Atheïsme Overwonnen, 1605-1607), Quod reminiscetur (1606?), Metaphysica (1609-1623), Theologia (1613-1624), en zijn beroemdste werk, De Stad van de Zon (oorspronkelijk geschreven in het Italiaans in 1602; gepubliceerd in het Latijn in Frankfurt (1623) en later in Parijs (1638).
Hij verdedigde Galileo Galilei in Galileo’s eerste proces met zijn werk The Defense of Galileo (geschreven in 1616, gepubliceerd in 1622). In 1632, vóór Galileo’s tweede proces, schreef Campanella aan Galileo:
Tot mijn grote afschuw heb ik gehoord dat toornige theologen van de congregatie van plan zijn de dialogen van Uwe Excellentie te verbieden, en dat er niemand aanwezig zal zijn die verstand heeft van wiskunde of onopgesmukte dingen. Let wel, Uwe Excellentie zegt weliswaar dat het gepast was de theorie van de beweging van de aarde te verbieden, maar u bent niet verplicht te geloven dat de redenen van hen die u tegenspreken goed zijn. Dit is een theologische regel, en wordt bewezen door het tweede Concilie van Nicaea, dat decreteerde dat Angelorum imagines depingi debent, quam’am vere corporei sunt (Afbeeldingen van engelen moeten worden afgebeeld zoals zij in het vlees zijn): hoewel het decreet geldig is, is de redenering erachter dat niet, aangezien alle geleerden tegenwoordig zeggen dat engelen onstoffelijk zijn. Er zijn nog veel meer fundamentele redenen. Ik vrees geweld van mensen die dit niet begrijpen. Onze paus maakt hiertegen veel lawaai en spreekt als de paus, maar daar hebt u niets van gehoord, en u kunt er ook niet over nadenken. Naar mijn mening zou Uwe Excellentie de Groothertog van Toscane moeten schrijven dat, aangezien zij Dominicanen, Jezuïeten, Theatijnen en wereldlijke priesters die tegen uw boeken zijn in dit concilie plaatsen, zij ook Pater Castelli en mij moeten toelaten.
Campanella werd uiteindelijk in 1626 uit de gevangenis vrijgelaten door toedoen van paus Urbanus VIII, die persoonlijk voor hem bemiddelde bij Filips IV van Spanje. Campanella werd naar Rome gebracht en enige tijd vastgehouden door het Heilig Officie, maar werd in 1629 weer volledig vrijgelaten. Hij verbleef vijf jaar in Rome, waar hij Urbanus’ adviseur was in astrologische zaken.
In 1634 dreigde een nieuwe samenzwering in Calabrië, geleid door een van zijn volgelingen, tot nieuwe moeilijkheden te leiden. Met de hulp van kardinaal Barberini en de Franse ambassadeur de Noailles vluchtte hij naar Frankrijk, waar hij aan het hof van Lodewijk XIII zeer gunstig werd ontvangen. Beschermd door kardinaal Richelieu en met een royaal pensioen van de koning, bracht hij de rest van zijn dagen door in het klooster van Saint-Honoré in Parijs. Zijn laatste werk was een gedicht ter ere van de geboorte van de toekomstige Lodewijk XIV (Ecloga in portentosam Delphini nativitatem).
Campanella’s De sensu rerum et magia (1620) vormde een gedeeltelijke inspiratiebron voor het eerste volwaardige it-verhaal in het Engels, Charles Gildon’s The Golden Spy (1709).