Томас Наттолл родился 5 января 1786 года в Лонг Престон (Йоркшир, Англия) в семье профессора ботаники. Интерес к естествознанию и путешествиям возник у Томаса еще в юности.
А в 1810 году он совершил первое серьезное путешествие — к Великим озерам. Спустя год, в составе Асторской экспедиции, Томас Натолл отправился вверх по реке Миссури. Его сопровождал английский ботаник Джон Брэдбери, который составлял коллекцию американских растений по поручению Ливерпульского ботанического сада.
Экспедиция, в которой участвовал Томас, повторила путь экспедиции Льюиса и Кларка (1803-1806), но многие образцы растений, собранные теми, были утрачены. Поэтому растения, собранные Наттоллом в этом путешествии, были еще неизвестны науке.
Томас закончил путешествия в то время, как началась война между Британией и США. Он вернулся в Лондон, где предался разбору своей большой коллекции. В 1815 году Наттолл вновь приехал в Америку, снова много ездил по стране, собирая растения, а в 1818 году опубликовал работу «Роды растений Северной Америки».
В 1825 году он получил место хранителя в ботаническом саду в Гарвардском университете. В 1834 году Наттолл оставил свой пост и снова отправился на запад с экспедицией Натаниэла Джарвиса Вайета. Он обследовал Канзас, Вайоминг и Юту. В том же году Наттолл успел посетить и Гавайские острова.
Томас Наттолл скончался 10 сентября 1859 года. Он оставил свой след в науке: издал ряд печатных трудов, множество видов растений и птиц носят видовой эпитет от фамилии Наттолла, и первое в США общество орнитологов, организованное в 1873 году, было названо в его честь.