Han var eldste sønn til Jens T. Thommesen og Gunhild Birgithe (Gitta) Jensen (1845–1937). Han tok artium i Latin i Arendal i 1882, og i perioden 1893 til 1895 studerte han kjemi ved den tekniske høyskolen i Berlin, og senere ved Technische Universität Berlin og deretter ved Université de Fribourg i Sveits, hvor han tok doktorgraden i kjemi (dr. philos) 25. januar 1898.