Welshmans tillbakadragande innebär att varken han eller Tour de France vinnaren Chris Froome kommer att tävla i USA.
Froome bröt en fot i en krasch vid Vuelta en Espana, utesluter honom.
"Det har varit ett svårt beslut att göra men säsongen har tagit sin tribut på mig och jag känner mig inte fysiskt upp för en bra världar," Thomas, 29, skrev på Facebook.
"Jag vill inte gå dit bara för att göra upp siffrorna, jag skulle vilja vara konkurrenskraftig eller åtminstone göra ett bra jobb för pojkarna."
Thomas säger att han vill vila inför 2016 när han känner att en topp-fem Tour de France plats är möjligt tillsammans med en OS-spår medalj.
"Jag älskar racing för GB och världarna är en riktigt speciell race så det var ett svårt beslut att göra, tillsammans med laget, men jag tycker det är bäst att vila upp nu innan det är alla system går för ett stort år nästa år."
Fellow Briton Mark Cavendish kraschade ut ur Tour of Britain förra veckan och drabbades av en axelskada, men är hoppfull om att tävla i Virginia som männens väg loppet äger rum på den sista dagen av mästerskapen - 27 September.
Geraint Thomas har dragit sig ur UCI World Road Race Championships i Virginia från 19-27 september, säger att han inte känner "fysiskt" upp till det.