Thomsens vitenskapelige virksomhet møtte anerkjennelse fra mange forskjellige miljøer. Allerede i 1860 ble han medlem av det danske Videnskabernes Selskab, fra 1888 til sin død var han selskapets president. I 1876 ble han medlem av The Chemical Society i London; i 1877 dr.phil. honor. ved Uppsala universitet og i 1879 dr.med. honor. ved Københavns Universitet.