Geraint Thomas werd bekend als baanwielrenner, waar hij al diverse titels behaalde. In 2005 begon hij op de weg bij Team Wiesenhof, als stagiair. In 2006 reed hij, eveneens als stagiair, voor Saunier Duval. Van 2007 tot eind 2009 reed hij bij Team Barloworld als voltijds beroepsrenner. Sinds 2010 is hij actief in de formatie INEOS Grenadiers.
Anno 2023 blijft Geraint Thomas, samen met Ben Swift, als allerlaatste renner over die de begindagen meemaakte van Team Sky, sinds 2019 INEOS genaamd. Swift reed tussendoor wel voor de teams Katjoesja en UAE Team Emirates, terwijl Thomas geen andere ploeg meer gekend heeft. Uniek aan de Welshman was zijn witte zonnebril van het merk Oakley, die hij droeg sinds jaar en dag.[2] Vanaf 2023 draagt hij de bril niet meer. Waarop hij te vertellen had, al dollend: "Het zal veel tijd vergen om nu nog te wennen aan die [reguliere] bril [van Ineos] van SunGod.[3]
In 2010 droeg hij van de vierde tot en met de zesde etappe de (witte) jongerentrui in de Ronde van Frankrijk, en in 2011 mocht hij deze van de tweede tot en met de zesde etappe dragen. Thomas is een verdienstelijke tijdrijder. Ook als klassiekerrenner komt hij aardig uit de hoek, met onder andere ereplaatsen in Parijs-Roubaix en de Ronde van Vlaanderen in 2014 (respectievelijk 7de en 8ste), een tweede plaats in Dwars door Vlaanderen in 2011 en een overwinning in de voorjaarsklassieker E3 Harelbeke in 2015. Vanaf 2016 kiest Thomas ervoor om zich meer te profileren als ronderenner.
In de Ronde van Frankrijk 2018 bleek Thomas sterker te zijn dan zijn kopman, meervoudig Tourwinnaar Chris Froome. Thomas won de elfde etappe, een bergrit naar La Rosière, en bemachtigde daarmee voor het tweede jaar op rij de gele trui. Ook de dag erna won hij de etappe (naar Alpe d'Huez) en verstevigde daarmee zijn koppositie. Deze koppositie zou hij niet meer afstaan, zodat hij na Wiggins en Froome de derde Brit werd die de Ronde van Frankrijk won.