Thomas Champion grandit avec ses parents à Vertou, en Loire-Atlantique. Il commence le cyclisme à l'âge de six ans au Vélo Sport Clissonnais[1], en pratiquant d'abord le VTT[2]. Dans cette discipline, il obtient notamment quinze victoires en 2015 puis six en 2016, année où il crée sa propre équipe : la Team VTT Horizon 44[3].
En 2016, il se classe huitième de La Philippe Gilbert Juniors, quelques mois seulement après ses débuts sur route avec le CREF (Centre Régional d'Entrainement et de Formation) cyclisme des Pays de la Loire[1],[4]. L'année suivante, il signe au Vélo Sport Valletais, en mettant davantage l'accent sur route[2]. Au mois de juillet, il se révèle pour sa première expérience en course dans des cols en terminant quatrième du Tour du Valromey[4], tout en ayant porté le maillot de leader[5]. Repéré par ses prestations, il décide de rejoindre l'équipe du Vendée U en 2018, tout en poursuivant un BTS à La Roche-sur-Yon[4].
En 2019, il s'impose sur La Suisse Vendéenne, sa première victoire chez les élites[6],[7]. Non conservé par le Vendée U, il intègre ensuite le club de Bourg-en-Bresse Ain en 2020[8]. En août, il se distingue en prenant la quatrième place du Tour de Savoie Mont-Blanc, après avoir porté le maillot de leader[4]. La même mois, il termine neuvième de la Ronde de l'Isard, course réputée pour les grimpeurs espoirs[9]. Au mois de septembre, il signe un premier contrat professionnel avec l'équipe World Tour Cofidis[1].
En août 2022, il est sélectionné par la formation Cofidis pour participer au Tour d'Espagne, son premier grand tour[10].
En mai 2023, il participe au Tour d'Italie et remporte les Fuga Bianchi, un classement qui récompense le coureur qui a parcouru le plus de kilomètres en échappée lors de la compétition.