Nel 1964, dopo la separazione degli El Riot, Thomas e il tastierista Mike Pinder formarono i Moody Blues insieme al batterista Graeme Edge, al bassista Clint Warwick e al chitarrista Denny Laine. Questa formazione avrebbe pubblicato la hit “Go Now” e l’LP The Magnificent Moodies del 1965, che presentava Thomas alla voce principale nella cover di Gershwin “It Ain’t Necessarily So.”
I Moody Blues avrebbero presto sostituito Laine con Justin Hayward e Warwick con il compagno di Thomas degli El Riot Lodge per formare la formazione classica della band. Come flautista, polistrumentista e cantante dei Moody Blues, Thomas è apparso su tutti gli album del gruppo prog rock – compresi i loro classici LP come Days of Future Passed, In Search of the Lost Chord, A Question of Balance e Every Good Boy Deserves Favour – fino al suo ritiro nel 2002.
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Thomas ha anche scritto e cantato brani dei Moody Blues come “Twilight Time”, “Legend of the Mind”, “Dr. Livingstone, I Presume”, “Dear Diary” e “And the Tide Rushes In”. Oltre al suo tempo con i Moody Blues, Thomas ha anche pubblicato un paio di album da solista, From Mighty Oaks del 1975 e Hopes, Wishes and Dreams del 1976, mentre il gruppo è andato in pausa a metà degli anni Settanta.
Thomas si è ritirato dai Moody Blues nel 2002 dopo aver sofferto di una serie di problemi di salute. Nel 2013, Thomas ha rivelato che era affetto da un cancro alla prostata “in-operabile”. “Il cancro è tenuto in remissione, ma riceverò questo trattamento per il resto della mia vita”, ha scritto Thomas sul suo sito web.
A dicembre, la Rock and Roll Hall of Fame ha annunciato che la formazione classica dei Moody Blues – Thomas, Hayward, Edge, Lodge e Pinder – sarebbe stata indotta come parte della Classe del 2018; Laine è stato successivamente aggiunto al roster della Rock Hall della band giorni dopo.
Dopo l’annuncio, Lodge ha detto in un’intervista che era speranzoso che sia Thomas che Pinder – che ha lasciato la band nel 1978 – sarebbero tornati per la cerimonia di induzione. “Se funziona, sarà fantastico perché è una cosa naturale da fare. Non sto cercando di forzarlo – sarà perché è previsto che sia così”, ha detto Lodge. “Sono stati parte integrante della mia vita. Non si può scartare questo. È chiuso lì dentro”. Hayward ha anche detto a Rolling Stone che sarebbe aperto ad una reunion della formazione classica dei Moody Blues.