Il est le fils unique de et de Mary Luttrell. Il est probablement né à Dundrum Castle, où vivaient ses parents au début des années 1640. Après la Rébellion irlandaise de 1641 les Fitzwilliams, qui étaient auparavant parmi les plus grands propriétaires terriens de Dublin, sont dépossédés de la plupart de leurs terres. Le père de Thomas passa quelques années en France et combat pour Charles en Angleterre pendant la Première révolution anglaise, devenant gouverneur de Whitchurch. En 1655, William et son frère aîné, , ayant fait la paix avec le Parlement, sont autorisés à récupérer une partie du domaine familial. Après la restauration de Charles II, les Fitzwilliams, très loyaux envers la Couronne, sont très favorisés par le nouveau régime et recouvrent le reste de leurs terres, y compris leur siège principal, le château de Merrion. Le père de Thomas devient vicomte en 1667 et Thomas lui-même trois ans plus tard. Il hérite également de domaines considérables dans le comté de Westmeath de son oncle maternel, Thomas Luttrell.