Nascido na Rua Chã no Porto, filho de José de Carvalho e de Rita de Cássia de Carvalho, Tomás de Carvalho doutorou-se em Medicina pela Universidade de Paris. Entusiasmado em jovem com as ideias republicanas que viriam a resultar na Segunda República Francesa, subscreveu com os demais estudantes a mensagem ao governo de Alphonse de Lamartine aquando da Revolução de Fevereiro em 1848. Regressado a Portugal, assumiu a cadeira de Anatomia da Escola Médico-Cirúrgica de Lisboa, tendo ainda ocupado o cargo de director da referida Escola e o de Enfermeiro-mor do Hospital de São José (o primeiro médico a assumir aquele cargo).