Nach der Ausbildung an der Chulachomklao-Militärakademie trat Thanom 1929 in den Militärdienst. 1947, als Oberstleutnant, unterstützte er den Militärputsch gegen die zivile Regierung. 1951 wurde er zum General befördert. Inzwischen Kommandant der Ersten Armee und Stellvertreter des Oberkommandierenden des Heeres, nahm er als „rechte Hand“ von Sarit Thanarat an dessen Staatsstreich von 1957 teil. Anschließend war er Premierminister und Verteidigungsminister vom 24. Dezember 1957 (offiziell 1. Januar 1958) bis Sarit, im Rahmen einer autoritären „Revolution“ am 20. Oktober 1958 selbst die Regierungsführung übernahm. Thanom diente nun als Sarits Stellvertreter. Nach Sarits Tod war Thanom erneut Premierminister, vom 8. Dezember 1963 bis zum 11. März 1969 und gleich anschließend für eine dritte Amtszeit, die bis zum 14. Oktober 1973 dauerte.