Campanella föddes i Stignano (i länet Stilo) i provinsen Reggio di Calabria i Kalabrien i södra Italien och var ett underbarn. Som son till en fattig och analfabet skomakare gick han in i dominikanerorden före fjorton års ålder och tog namnet fra’ Tommaso för att hedra Thomas av Aquino. Han studerade teologi och filosofi hos flera mästare.
Från början blev han besviken på den aristoteliska ortodoxin och attraherad av Bernardino Telesios (1509-1588) empirism, som lärde att kunskap är förnimmelse och att alla ting i naturen besitter förnimmelse. Campanella skrev sitt första verk, Philosophia sensibus demonstrata (”Filosofi demonstrerad genom sinnena”), som publicerades 1592, för att försvara Telesio.
1590 befann han sig i Neapel där han invigdes i astrologi; astrologiska spekulationer skulle komma att bli ett ständigt inslag i hans skrifter. Campanellas heterodoxa åsikter, särskilt hans motstånd mot Aristoteles auktoritet, förde honom i konflikt med de kyrkliga myndigheterna. Han anmäldes till den romerska inkvisitionen, arresterades i Padua 1594 och citerades inför det heliga ämbetet i Rom, han spärrades in i ett kloster fram till 1597.
Efter sin frigivning återvände Campanella till Kalabrien, där han anklagades för att ha lett en sammansvärjning mot det spanska styret i sin hemstad Stilo. Campanellas mål var att etablera ett samhälle som byggde på gemenskapen av varor och fruar, för på grundval av Joachim av Fiores profetior och sina egna astrologiska observationer förutsåg han ankomsten av Andens tidsålder år 1600. Han förråddes av två av sina medkonspiratörer och tillfångatogs 1599 och fängslades i Neapel, där han torterades på plåtarna. Till och med från fängelset lyckades Campanella påverka det tidiga 1600-talets intellektuella historia genom att upprätthålla brevkontakter med europeiska filosofer och vetenskapsmän, napolitanska kulturkretsar och Caravaggios uppdragsgivare. Slutligen gjorde Campanella en fullständig bekännelse och skulle ha avrättats om han inte hade låtsats vara galen och satt eld på sin cell. Han torterades ytterligare, sammanlagt sju gånger. Förlamad och sjuk dömdes Campanella till livstids fängelse.
Campanella tillbringade tjugosju år fängslad i Neapel, i olika fästningar. Under sin fångenskap skrev han sina viktigaste verk: Monarkin i Spanien (1600), Politiska aforismer (1601), Atheismus triumphatus (Ateismen besegrad, 1605-1607), Quod reminiscetur (1606?), Metaphysica (1609-1623), Theologia (1613-1624) och hans mest berömda verk, Solens stad (ursprungligen skriven på italienska 1602, publicerad på latin i Frankfurt (1623) och senare i Paris (1638).
Han försvarade Galileo Galilei i Galileis första rättegång med sitt verk The Defense of Galileo (skrivet 1616, publicerat 1622). År 1632, före Galileos andra rättegång, skrev Campanella till Galileo:
Till min stora avsky har jag hört att vredgade teologer i kongregationen har för avsikt att förbjuda Ers excellens dialoger, och ingen kommer att vara närvarande som förstår matematik eller avancerade saker. Var medveten om att även om Ers excellens säger att det var lämpligt att förbjuda teorin om jordens rörelse, så är ni inte skyldiga att tro att skälen hos dem som motsatte sig er är goda. Detta är en teologisk regel och bevisas av det andra konciliet i Nicaea som beslutade att Angelorum imagines depingi debent, quam’am vere corporei sunt (bilder av änglar måste avbildas så som de är i köttet): även om dekretet är giltigt är inte resonemanget bakom det giltigt, eftersom alla forskare i dag säger att änglar är kroppslösa. Det finns många andra grundläggande skäl. Jag är rädd för våld från människor som inte förstår detta. Vår påve gör mycket väsen av sig mot detta och talar som påve, men ni har inte hört talas om det och kan inte heller tänka på det. Enligt min åsikt bör Ers excellens skriva till storhertigen av Toscana, att eftersom de sätter in dominikaner, jesuiter, teatiner och sekulära präster som är emot era böcker i detta råd, så bör de också släppa in fader Castelli och mig.
Campanella frigavs slutligen från fängelset 1626, genom påven Urban VIII, som personligen ingrep för honom hos Filip IV av Spanien. Campanella fördes till Rom och hölls en tid av det heliga ämbetet, men återfick sin fulla frihet 1629. Han bodde i fem år i Rom, där han var Urbans rådgivare i astrologiska frågor.
År 1634 hotade en ny konspiration i Kalabrien, ledd av en av hans anhängare, med nya problem. Med hjälp av kardinal Barberini och den franske ambassadören de Noailles flydde han till Frankrike, där han mottogs vid Ludvig XIII:s hov med utpräglad välvilja. Han skyddades av kardinal Richelieu och beviljades en generös pension av kungen och tillbringade resten av sina dagar i klostret Saint-Honoré i Paris. Hans sista verk var en dikt som firade den blivande Ludvig XIV:s födelse (Ecloga in portentosam Delphini nativitatem).
Campanellas De sensu rerum et magia (1620) inspirerade delvis den första fullfjädrade it-berättelsen på engelska, Charles Gildons The Golden Spy (1709).