Thomas Bonnin remporte deux manches du Challenge national (Vallée de la Trambouze et Arguenon Vallée Verte), finit troisième de la Classique des Alpes juniors et 17e du championnat du monde sur route juniors à Aguascalientes (Mexique) en 2007.
Il est recruté pour la saison 2011 par l'équipe continentale professionnelleSkil-Shimano. Lors de sa première course par étapes, le Tour de Langkawi, Thomas Bonnin s'illustre dans la quatrième étape montagneuse en finissant quatrième de celle-ci, tout en s'étant glissé dans l'échappée victorieuse[1].
En fin d'année 2012, il n'est pas conservé par l'équipe néerlandaise et rejoint l'équipe continentale allemande NSP-Ghost qui s'arrête à l'issue de la saison 2013.