En 1862, Thomas est envoyé sur le théâtre occidental, et reçoit le commandement de l'artillerie appartenant à une brigade de l'armée du Mississippi le 18 mars. Huit jours plus tard, Thomas est nommé adjoint à l'inspecteur général de la brigade, poste qu'il occupe jusqu'à l'été. Affecté à l'état-major du major général Jones M. Whiters, Thomas combat lors de la bataille de Shiloh, les et , effectuant une . En juillet, il reçoit le commandement du corps d'artillerie de réserve de l'armée, un poste que Thomas occupe jusqu'à la fin de l'année. Il participe également à la campagne du Kentucky à l'automne, et puis il prend un bref congé de maladie. Thomas reprend le service à temps pour combattre lors de la bataille de Stone's River, à la fin de 1862.