Supo que quería ser actriz a muy temprana edad. Comenzó sus estudios de interpretación en su ciudad natal de Baltimore a la edad de nueve años. Posteriormente, se licenció en arte por la Universidad de Howard y se graduó en interpretación en la reconocida Juilliard School de Nueva York.

La carrera de Thoms comenzó a prosperar rápidamente y sigue su ascendente trayectoria en el día de hoy. Participó en la adaptación cinematográfica realizada por Chris Columbus para Sony del musical de Broadway Rent junto a Rosario Dawson, Taye Diggs y Jesse Martin. También interpretó junto a Meryl Streep y Anne Hathaway El Diablo viste de Prada, del director David Frankel, e interpreta uno de los papeles principales de la serie de la CBS Cold Case.

En 2004, Thoms protagonizó en Broadway, junto a Alfre Woodard, al obra de Regina Taylor Drowning Crow. También interpretó el papel principal de Georgia Hayes en la aclamada por la crítica The Exonerated del The Culture Project Off-Broadway.

Thoms participó de forma regular en la serie de la Fox Wonderfalls y en el programa de UPN As If; y ha participado en The Shield, de FX; coprotagonizó un capítulo piloto para la NBC junto a Chevy Chase; ha sido actriz invitada en Ley y orden; ha participado en la película Porn 'N Chicken de Comedy Central; y ha participado también en las películas independientes Sex and Breakfast y Brother to Brother.