Urodzony w Stignano (w powiecie Stilo) w prowincji Reggio di Calabria w Kalabrii, w południowych Włoszech, Campanella był cudownym dzieckiem. Syn ubogiego i niepiśmiennego szewca, wstąpił do zakonu dominikanów przed ukończeniem czternastu lat, przyjmując imię fra’ Tommaso na cześć Tomasza z Akwinu. Studiował teologię i filozofię u kilku mistrzów.
Wcześniej rozczarował się ortodoksją arystotelesowską i przyciągnął go empiryzm Bernardina Telesio (1509-1588), który nauczał, że wiedza jest doznaniem i że wszystkie rzeczy w przyrodzie posiadają doznania. Campanella napisał swoje pierwsze dzieło, Philosophia sensibus demonstrata („Filozofia wykazana przez zmysły”), opublikowane w 1592 r., w obronie Telesia.
W 1590 r. przebywał w Neapolu, gdzie został wtajemniczony w astrologię; spekulacje astrologiczne stały się stałym elementem jego pism. Heterodoksyjne poglądy Campanelli, a zwłaszcza jego sprzeciw wobec autorytetu Arystotelesa, doprowadziły go do konfliktu z władzami kościelnymi. Zadenuncjowany rzymskiej inkwizycji, został aresztowany w Padwie w 1594 r. i postawiony przed Świętym Oficjum w Rzymie, został zamknięty w klasztorze do 1597 r.
Po uwolnieniu Campanella powrócił do Kalabrii, gdzie został oskarżony o kierowanie spiskiem przeciwko hiszpańskiemu panowaniu w swoim rodzinnym mieście Stilo. Celem Campanelli było ustanowienie społeczeństwa opartego na wspólnocie dóbr i żon, gdyż na podstawie przepowiedni Joachima z Fiore i własnych obserwacji astrologicznych przewidział nadejście Epoki Ducha w roku 1600. Zdradzony przez dwóch współspiskowców, został schwytany w 1599 roku i uwięziony w Neapolu, gdzie był torturowany na szubienicy. Nawet w więzieniu Campanella zdołał wpłynąć na historię intelektualną początku XVII wieku, utrzymując kontakty epistolarne z europejskimi filozofami i naukowcami, neapolitańskimi kręgami kulturalnymi i komisarzami Caravaggia. W końcu Campanella przyznał się do winy i zostałby skazany na śmierć, gdyby nie udawał szaleństwa i nie podpalił swojej celi. Torturowano go dalej, w sumie siedem razy. Okaleczony i chory, Campanella został skazany na dożywotnie więzienie.
Campanella spędził dwadzieścia siedem lat uwięziony w Neapolu, w różnych twierdzach. Podczas pobytu w więzieniu napisał swoje najważniejsze dzieła: Monarchia hiszpańska (1600), Aforyzmy polityczne (1601), Atheismus triumphatus (Ateizm zwyciężony, 1605-1607), Quod reminiscetur (1606?), Metaphysica (1609-1623), Theologia (1613-1624) oraz swoje najsłynniejsze dzieło, Miasto słońca (pierwotnie napisane po włosku w 1602 r.; wydane po łacinie we Frankfurcie (1623), a później w Paryżu (1638).
Ku mojemu wielkiemu oburzeniu słyszałem, że gniewni teologowie z Kongregacji dążą do zakazania Dialogów Waszej Ekscelencji i nie będzie w nich uczestniczył nikt, kto rozumie matematykę lub rzeczy tajemne. Bądźcie świadomi, że chociaż Wasza Ekscelencja stwierdza, iż należało zakazać teorii ruchu Ziemi, nie jesteście zobowiązani wierzyć, że racje tych, którzy się wam sprzeciwiają, są dobre. Jest to zasada teologiczna, a dowodem na to jest drugi Sobór Nicejski, który zadecydował, że Angelorum imagines depingi debent, quam’am vere corporei sunt (Obrazy aniołów muszą być przedstawiane tak, jak są w ciele): o ile dekret ten jest ważny, o tyle rozumowanie, które za nim stoi, nie jest, ponieważ wszyscy uczeni mówią dziś, że aniołowie są bezcieleśni. Istnieje wiele innych fundamentalnych powodów. Obawiam się przemocy ze strony ludzi, którzy tego nie rozumieją. Nasz papież robi wiele hałasu przeciwko temu i przemawia jako papież, ale nie słyszałeś o tym, ani nie możesz o tym myśleć. Moim zdaniem Wasza Ekscelencja powinien napisać do Wielkiego Księcia Toskanii, że skoro umieszczają w tym soborze dominikanów, jezuitów, teatynów i księży świeckich, którzy są przeciwni Waszym książkom, to powinni również dopuścić ojca Castellego i mnie.
Campanella został ostatecznie uwolniony z więzienia w 1626 roku, dzięki papieżowi Urbanowi VIII, który osobiście wstawił się w jego imieniu u Filipa IV hiszpańskiego. Zabrany do Rzymu i przetrzymywany przez pewien czas przez Święte Oficjum, Campanella został przywrócony do pełnej wolności w 1629 roku. Przez pięć lat mieszkał w Rzymie, gdzie był doradcą Urbana w sprawach astrologicznych.
W 1634 r. nowy spisek w Kalabrii, kierowany przez jednego z jego zwolenników, groził nowymi kłopotami. Z pomocą kardynała Barberiniego i francuskiego ambasadora de Noaillesa uciekł do Francji, gdzie został przyjęty z wyraźną przychylnością na dworze Ludwika XIII. Chroniony przez kardynała Richelieu i obdarzony przez króla liberalną emeryturą, spędził resztę swoich dni w klasztorze Saint-Honoré w Paryżu. Jego ostatnim dziełem był poemat sławiący narodziny przyszłego Ludwika XIV (Ecloga in portentosam Delphini nativitatem).
De sensu rerum et magia (1620) Campanelli częściowo zainspirowało pierwszą pełnoprawną it-narrację w języku angielskim, The Golden Spy Charlesa Gildona (1709).
.