Après des études d’histoire, de littérature et de philosophie, le baryton allemand Thomas Johannes Mayer, initié à la musique très jeune, entreprend des études de chant à l’Université de Musique de Cologne.

Sa carrière se développe essentiellement en Allemagne et dans le reste de l'Europe. En 2006, il chante Kurwenal dans Tristan et Isolde au Théâtre de Freiburg. Il chante le rôle-titre de Wozzek d’Alban Berg en 2008 à la Scala de Milan, qui lui confie le rôle de Posa dans Don carlos de Verdi la même année. Il interprète également Jochanaan dans Salome à Wiesbaden. L’Opéra national de Hambourg l’engage pour la saison 2008/2009 : il y incarne les Quatre antagonistes des Contes d’Hoffmann d'Offenbach, Mandryka dans Arabella de Strauss, Wotan dans la Walkyrie de Wagner, Rigoletto de Verdi et Scarpia dans Tosca de Puccini. Le public parisien le découvre au Théâtre des Champs-Elysées en 2010 dans le Requiem de Brahms tandis que le public Niçois a le privilège de sa prise du rôle de Don Pizzaro dans Fidelio. L'année suivante, le Festival de Salzbourg l'invite pour la Femme Sans Ombre de Richard Strauss, sous la direction de Christian Thielemann et La Monnaie lui offre sa prise du rôle d'Amfortas dans Parsifal. L’Opéra de Paris l'invite à son tour en 2012 pour le bicentenaire de la naissance de Richard Wagner en Wotan dans La Walkyrie et l’Or du Rhin. Le Festival de Bayreuth l’accueille à son tour cette année-là dans Lohengrin avec le rôle de Friedrich von Telramund.

En 2015, il est Moïse dans la première production estampillée Stéphane Lissner à Paris : Moïse et Aaron de Schoenberg. Le baryton est ensuite Mandryka dans Arabella de Richard Strauss à Leipzig et Wotan dans Siegfried à Munich. En 2016, il est Telramund dans Lohengrin à l’Opéra d’Etat de Vienne. En 2017, il campe Miizguir dans La Fille de neige de Rimski-Korsakov dans la production revisitée par Tcherniakov pour l'Opéra de Paris, ainsi que le Hollandais dans Le Vaisseau fantôme de Wagner au Liceu. A l'Opéra de Flandre, il aborde le rôle-titre de Falstaff. En 2018, il est Tamare dans Les Stigmatisés de Schreker à Zürich. Il fait également ses débuts au ROH avec Lohengrin. En 2019, il retourne à l’Opéra de Paris en Vodnik dans Rusalka.

En 2020/2021, Thomas Johannes Mayer sera à l’affiche de Fidelio à Copenhague en septembre, dans le rôle de Don Pizarro. Il retrouvera ensuite l’Opéra allemand de Berlin pour Lohengrin (Friedrich von Telramund) en janvier, et le Vaisseau fantôme en mai, juste après avoir pris le rôle de Wolfram von Eschenbach dans Tannhaüser au Liceu de Barcelone.