Thomle var ansatt i Riksarkivet fra 1879 til han ble pensjonert i 1921. Han var konstituert riksarkivar under flere vakanser, men fikk aldri den stillingen. I 1914 ble han imidlertid stiftsarkivar (fra 1919 statsarkivar) for Stiftsarkivene i Kristiania. I sin tid i Riksarkivet sørget Thomle blant annet for å få samlet inn landets kirkebøker.