Nascido em Stignano (no condado de Stilo) na província de Reggio di Calabria na Calábria, sul da Itália, Campanella era uma criança prodígio. Filho de um pobre e analfabeto sapateiro, entrou na Ordem Dominicana antes dos 14 anos de idade, tomando o nome de fra’ Tommaso em honra de Tomás de Aquino. Estudou teologia e filosofia com vários mestres.
Early on, tornou-se desencantado com a ortodoxia aristotélica e atraído pelo empirismo de Bernardino Telesio (1509-1588), que ensinou que o conhecimento é sensação e que todas as coisas na natureza possuem sensação. Campanella escreveu sua primeira obra, Philosophia sensibus demonstrata (“Filosofia demonstrada pelos sentidos”), publicada em 1592, em defesa de Telesio.
Em 1590 ele estava em Nápoles onde foi iniciado na astrologia; especulações astrológicas se tornariam uma constante em seus escritos. A visão heterodoxa de Campanella, especialmente a sua oposição à autoridade de Aristóteles, colocou-o em conflito com as autoridades eclesiásticas. Denunciado à Inquisição Romana, foi preso em Pádua em 1594 e citado perante o Santo Ofício em Roma, foi confinado num convento até 1597.
Após a sua libertação, Campanella regressou à Calábria, onde foi acusado de liderar uma conspiração contra o domínio espanhol na sua cidade natal de Stilo. O objetivo de Campanella era estabelecer uma sociedade baseada na comunidade de bens e esposas, pois com base nas profecias de Joachim de Fiore e em suas próprias observações astrológicas, ele previu o advento da Era do Espírito no ano de 1600. Traído por dois dos seus companheiros conspiradores, foi capturado em 1599 e encarcerado em Nápoles, onde foi torturado na prateleira. Mesmo desde o confinamento da prisão, Campanella conseguiu influenciar a história intelectual do início do século XVII, mantendo contatos epistolares com filósofos e cientistas europeus, círculos culturais napolitanos e com os comissários de Caravaggio. Finalmente, Campanella fez uma confissão completa e teria sido condenado à morte se não tivesse fingido loucura e incendiado a sua cela. Ele foi torturado ainda mais, um total de sete vezes. Aleijado e doente, Campanella foi condenado a prisão perpétua.
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Campanella passou vinte e sete anos preso em Nápoles, em várias fortalezas. Durante sua detenção, ele escreveu suas obras mais importantes: The Monarchy of Spain (1600), Political Aphorisms (1601), Atheismus triumphatus (Atheism Conquered, 1605-1607), Quod reminiscetur (1606?), Metaphysica (1609-1623), Theologia (1613-1624), e sua obra mais famosa, The City of the Sun (escrita originalmente em italiano em 1602; publicada em latim em Frankfurt (1623) e mais tarde em Paris (1638).
Ele defendeu Galileu Galilei no primeiro julgamento de Galileu com sua obra A Defesa de Galileu (escrita em 1616, publicada em 1622). Em 1632, antes do segundo julgamento de Galileu, Campanella escreveu a Galileu:
A meu grande desgosto ouvi dizer que teólogos irados da Congregação pretendem proibir os Diálogos de Vossa Excelência, e ninguém estará presente que entenda matemática ou coisas recônditas. Sabei que, embora V. Ex.ciaRev.ma afirme que era conveniente proibir a teoria do movimento da Terra, não sois obrigados a acreditar que as razões dos que vos contradisseram são boas. Esta é uma regra teológica, comprovada pelo segundo Concílio de Nicéia, que decretou que o Angelorum imagina depengi debingi, quam’am vere corporei sunt (imagens de anjos devem ser representadas como estão na carne): embora o decreto seja válido, o raciocínio por trás dele não o é, pois todos os estudiosos de hoje dizem que os anjos são incorpóreos. Há muitas outras razões fundamentais. Temo a violência de pessoas que não entendem isso. O nosso Papa faz muito barulho contra isso e fala como o Papa, mas vocês não ouviram falar disso, nem podem pensar sobre isso. Na minha opinião, V. Ex.ciaRev.ma deve escrever ao Grão-Duque da Toscana, que, uma vez que estão colocando dominicanos, jesuítas, teatinos e sacerdotes seculares que são contra os seus livros neste Concílio, também devem admitir o Padre Castelli e a mim.
Campanella foi finalmente libertada da prisão em 1626, através do Papa Urbano VIII, que intercedeu pessoalmente em seu nome com Filipe IV de Espanha. Levada a Roma e mantida por um tempo pelo Santo Ofício, Campanella foi restituída à plena liberdade em 1629. Ele viveu cinco anos em Roma, onde foi conselheiro de Urban em assuntos astrológicos.
Em 1634, uma nova conspiração na Calábria, liderada por um de seus seguidores, ameaçou novos problemas. Com a ajuda do Cardeal Barberini e do embaixador francês em Noailles, ele fugiu para França, onde foi recebido na corte de Luís XIII com marcado favor. Protegido pelo Cardeal Richelieu e concedido pelo rei uma pensão liberal, passou o resto de seus dias no convento de Saint-Honoré, em Paris. A sua última obra foi um poema que celebra o nascimento do futuro Luís XIV (Ecloga in portentosam Delphini nativitatem).
Campanella’s De sensu rerum et magia (1620) inspirou em parte o primeiro it-narrative em inglês, The Golden Spy (1709) de Charles Gildon.