Thomas Loibl wurde 1969 in Brüggen geboren und absolvierte eine Schauspielausbildung an der Westfälischen Schauspielschule in Bochum. Sein erstes Engagement hatte er von 1994 bis 1996 im Düsseldorfer Schauspielhaus, wo er unter anderem mit Werner Schroeter arbeitete. Von 1996 bis 1998 war er am Volkstheater München engagiert, gefolgt vom Schauspielhaus Zürich (1998) und dem Stuttgarter Staatstheater (1998–2000). Zu seinen größten Erfolgen dieser Jahre gehören der Shylock in "Lessings Traum von Nathan dem Weisen" (1998/99) und der Detektiv Stader in Musils "Die Schwärmer" (1999/2000). 

Von 2001 bis 2009 war Loibl festes Ensemblemitglied am Bayerischen Staatsschauspiel in München, wo er in zahlreichen Inszenierungen von Klassikern und zeitgenössischen Stücken mitwirkte, darunter Peter Handkes "Das Spiel vom Fragen", Schillers "Maria Stuart" und Molières "Der Misanthrop". 2004 erhielt er den Bayerischen Kunstförderpreis für Darstellende Kunst sowie den Förderpreis des Kurt-Meisel-Preises. 2005 gastierte er in der Rolle des Oskar in "Geschichten aus dem Wiener Wald" bei den Salzburger Festspielen. 

Ab 2006 übernahm Thomas Loibl auch erste, kleinere Fernseh- und Kinorollen, zum Beispiel in Nina Grosses TV-Krimi "Franziskas Gespür für Männer" (2006) und als Polizist in der Hape-Kerkeling-Komödie "Horst Schlämmer – Isch kandidiere!" (2009). 

Im Jahr 2009 begann Loibl als freiberuflicher Schauspieler zu arbeiten. Seither stand er regelmäßig für Kino- und Fernsehproduktionen vor der Kamera. In Marcus O. Rosenmüllers TV-Zweiteiler "Gottes mächtige Dienerin" (2011) spielte er einen Pater, in Marcus H. Rosenmüllers Culture-Clash-Komödie "Sommer in Orange" (2011) einen Bhagwan-Vertrauten, in Franziska Schlotterers preisgekröntem NS-Drama "Ende der Schonzeit" (DE/IL 2012) einen NS-Ortsgruppenführer. 

Zu Loibls Hauptbetätigungsfeld entwickelte sich jedoch das Fernsehen. In der Echtzeit-Serie "Zeit der Helden" (2013) hatte er eine Hauptrolle als Mittvierziger in der Midlife-Krise, in Aelrun Goettes Drama "Im Zweifel" (2015) verliebt er sich als Kommissar in eine Pfarrerin, in "Simon sagt auf Wiedersehen zu seiner Vorhaut" spielte er einen Arzt. Außerdem übernahm Loibl Gastrollen in zahlreichen Serien wie "Wilsberg", "Marie Brand" und "Unter anderen Umständen". Für seine Rolle als aufstrebender Provinzpolitiker in Vivian Naefes "Spreewaldkrimi: Die Tote im Weiher" (2014) erhielt er eine Nominierung zum Preis der Deutsche Akademie für Fernsehen. In der Erfolgsserie "Charité" (2017) verkörperte er über sechs Folgen hinweg Bernhard Spinola, den Verwaltungsdirekter der berühmten Klinik. 

Auch am Theater blieb Loibl sehr aktiv. 2012/13 gastierte er zunächst am Schauspielhaus Zürich und war dort in der Spielzeit 2013/14 festes Ensemblemitglied. Am Residenztheater München gastierte er 2015 in einer Neuinszenierung von "Antonius und Cleopatra"; im Jahr darauf wurde er dort festes Ensemblemitglied und war unter anderem als John Proctor in Arthur Millers "Hexenjagd" (2016/17) und als Transfrau Elvira in Fassbinders "In einem Jahr mit 13 Monden" (2017) zu sehen. 2017 erhielt er erneut den Kurt-Meisel-Preis. 

Im Kino hatte Thomas Loibl eine sehr markante Rolle in Maren Ades Komödie "Toni Erdmann" (2016), als glatter Vorgesetzter von Sandra Hüllers Hauptfigur. Eine Hauptrolle spielte er als Vater in dem bitterbösen Familienporträt "Sommerhäuser" (2017). Es folgten kleinere, aber prägnante Auftritte als Bestatter in Sönke Wortmanns Komödie "Sommerfest" (2017), als Revierförster in dem Kinderfilm "Die kleine Hexe" (2018) und als Arzt in der Hape-Kerkeling-Filmbiografie "Der Junge muss an die frische Luft" (2018).  

Bedeutende Fernsehrollen Loibls waren unter anderem ein mörderischer Polizist in der "Tatort"-Folge "Die Pfalz von oben" (2919), ein eiskalter Gangster in dem Thriller "Jackpot" (2020) und der Ehemann der Titelfigur in der Komödie "Annie - kopfüber ins Leben" (2020). In der hoch gelobten Miniserie "Schneller als die Angst" (2021) hatte er eine Hauptrolle als Polizist, in dem historischen Drama "Die Wannseekonferenz" verkörperte er den NS-Ministerialdirektor Friedrich Wilhelm Kritzinger. 

Nach einer etwas längeren Kinopause gehörte Loibl 2022 zum Hauptensemble von Sönke Wortmanns Komödie "Eingeschlossene Gesellschaft", über eine Gruppe sehr unterschiedlicher Lehrer*innen, die sich im Lehrerzimmer unverhofft mit einem gereizten Vater konfrontiert sehen.