Under den spanske borgerkrigen ble Thoma sendt til Spania som oberstløytnant og sjef for bakkestyrkene i Legion Condor. Generalmajor Hugo Sperrle hadde kommandoen over legionen, og Wolfram Freiherr von Richthofen var sjef for luftstridskreftene. 1. april 1938 ble Thoma forfremmet til oberst, og han ble i Spania under hele borgerkrigen. Da den tok slutt, overtok han som panserkommandant for en styrke i Wien.