Jego ojciec William Birch (1755–1834) był malarzem i grafikiem. Około 1794 wraz z rodziną wyemigrował do Stanów Zjednoczonych i osiadł w Filadelfii. Thomas Birch zajmował się początkowo malarstwem portretowym, współpracując z ojcem, a później tworząc samodzielnie. Około 1807 zainteresował się tematyką marynistyczną, która niemal całkowicie zdominowała jego twórczość. Malował techniką olejną, tworzył też akwarele. Szczególne uznanie zdobył za cykl obrazów poświęconych morskim epizodom wojny brytyjsko-amerykańskiej w 1812. Obok tematyki marynistycznej artysta malował także pejzaże i sceny zimowe. Pomimo uznania zmarł w niedostatku, zniechęcony tym, co uznawał za brak patriotyzmu wśród Amerykanów.