Thomas Schönlebe startete für den SC Karl-Marx-Stadt (1990 in SC Chemnitz umbenannt), ab 1994 bis zum Ende seiner aktiven Laufbahn 1997 für den aus einer Fusion der Leichtathletiksektionen des SC Chemnitz und VfL Chemnitz hervorgegangenen LAC Erdgas Chemnitz. Als 18-Jähriger wurde er 1983 Junioreneuropameister; bei den Weltmeisterschaften 1983 wurde er Sechster im 400-Meter-Lauf. Sein größter Erfolg war der Weltmeistertitel 1987. Damit ist er der einzige Europäer, dem auf der 400-Meter-Strecke ein Weltmeisterschaftssieg gelang. Seine Zeit von damals, 44,33 s, steht immer noch als aktueller Europarekord. (Stand: 4. August 2021). Am 5. Februar 1988 stellte er in Sindelfingen mit 45,05 s einen Hallenweltrekord auf. Diese Zeit ist noch immer der gültige Halleneuroparekord. (Stand: 4. Mai 2019). Schönlebe nahm an den Olympischen Spielen 1988, 1992 und 1996 teil, jedoch ohne Medaillenerfolg. In seiner aktiven Zeit war er 1,85 m groß und wog 71 kg. Nach seiner Sportlerlaufbahn arbeitete er in Chemnitz als Bankkaufmann; er ist Geschäftsführer des Sportklubs LAC Erdgas Chemnitz.