En 1964, tras la separación de El Riot, Thomas y el teclista Mike Pinder formaron los Moody Blues junto al batería Graeme Edge, el bajista Clint Warwick y el guitarrista Denny Laine. Esa formación lanzaría el éxito «Go Now» y el LP de 1965 The Magnificent Moodies, que contó con Thomas como voz principal en la versión de Gershwin «It Ain’t Necessarily So».
Los Moody Blues pronto sustituirían a Laine por Justin Hayward y a Warwick por el compañero de banda de El Riot, Lodge, para formar la formación clásica de la banda. Como flautista, multiinstrumentista y cantante en los Moody Blues, Thomas apareció en todos los álbumes de la banda de prog rock -incluyendo sus LPs clásicos como Days of Future Passed, In Search of the Lost Chord, A Question of Balance y Every Good Boy Deserves Favour- hasta su retirada en 2002.
Popular en Rolling Stone
Thomas también escribió y cantó temas de los Moody Blues como «Twilight Time», «Legend of the Mind», «Dr. Livingstone, I Presume», «Dear Diary» y «And the Tide Rushes In». Además de su etapa con los Moody Blues, Thomas también publicó un par de álbumes en solitario, From Mighty Oaks, de 1975, y Hopes, Wishes and Dreams, de 1976, mientras el grupo hacía un paréntesis a mediados de los setenta.
Thomas se retiró de los Moody Blues en 2002 tras sufrir una serie de problemas de salud. En 2013, Thomas reveló que padecía un cáncer de próstata «inoperable». «El cáncer se mantiene en remisión, pero seguiré recibiendo este tratamiento durante el resto de mi vida», escribió Thomas en su página web.
En diciembre, el Salón de la Fama del Rock and Roll anunció que la formación clásica de los Moody Blues -Thomas, Hayward, Edge, Lodge y Pinder- sería incluida como parte de la Clase de 2018; Laine fue posteriormente añadido a la lista del Salón del Rock de la banda días después.
Tras el anuncio, Lodge dijo en una entrevista que tenía la esperanza de que tanto Thomas como Pinder -que dejó la banda en 1978- regresaran para la ceremonia de inducción. «Si funciona, será fantástico porque es algo natural. No estoy tratando de forzarlo, será porque se supone que debe ser así», dijo Lodge. «Han sido una parte integral de mi vida. No se puede descartar eso. Está encerrado ahí». Hayward también dijo a Rolling Stone que estaría abierto a una reunión de la formación clásica de los Moody Blues.