Sus antepasados provenían de Ámsterdam y se establecieron en el río Passaic, en Nueva Jersey.[10]​ El apellido original era «Edeson».[11]​

John Edison, abuelo del inventor, se alistó en el bando de los británicos durante la Guerra de la Independencia; cuando esta finalizó, tuvo que refugiarse en Nueva Escocia, Canadá, desde donde se trasladó a Bayham, en la región del lago Erie. Al estallar la rebelión canadiense de 1837, Samuel Edison se unió a los insurgentes y, una vez más, la familia se vio obligada a emigrar; esta vez de regreso a los Estados Unidos. En ese momento Samuel y su esposa Nancy, estadounidense de ascendencia escocesa, ya tenían cuatro hijos.[12]​[13]​ En 1840 Samuel Edison fundó una pequeña maderería en Milan, Ohio. Allí nacieron tres hijos más, pero tres de los primeros murieron durante la década de 1840. Al momento del nacimiento de Thomas, los sobrevivientes eran tres y tenían dieciocho, dieciséis y catorce años. Thomas nació el 11 de febrero de 1847 y fue llamado «Thomas» por un tío abuelo, y «Alva» en honor del capitán Alva Bradley, amigo de su padre.[14] y Luego en 1855, a los ocho años y medio, Edison ingresó a la escuela. Después de tres meses fue calificado como alumno "estéril e improductivo".[15]​ Como resultado de esto, Nancy, una mujer muy culta, sacó al niño del colegio y lo educó en su casa. Es imposible averiguar si Nancy Edison tomó muy en serio la opinión del maestro o si pensó que ella era mejor que el profesor de su hijo; pero Edison recordó el incidente durante el resto de su vida. Una leyenda urbana muy difundida añade que el pequeño Thomas llevó a su madre una nota del maestro en sobre cerrado. Al leerla, Nancy dijo que el niño era tan inteligente que no podía permanecer en la escuela, por lo cual, añadió ella, sería educado en su casa. Al llegar a la adultez, Edison encontró la carta y comprobó que en realidad era una nota de expulsión.[16]​

La educación del niño comenzaba después de las tareas domésticas. Su madre le enseñó a leer y escribir correctamente, además de aritmética, y despertó su interés por obras como La caída del Imperio Romano, de Gibbon, novelas de Dickens y dramas de Shakespeare.[16]​ En torno a los 9 años Thomas comenzó a leer solo, en parte impulsado por su padre, Samuel, quien le daba 10 centavos cada vez que concluía un libro.[17]​

En 1859 Thomas empezó a vender diarios en el tren matutino que iba de Port Huron a Detroit, así como verduras, mantequilla y moras. El tren hacía una parada de seis horas en Detroit, las cuales aprovechaba pasándolas en el salón de lectura de la Asociación de Jóvenes (después Biblioteca Gratuita de Detroit). Ahí, comenzaba por leer el primer libro que se encontraba en el anaquel inferior y seguía por orden con los demás hasta terminar con toda la hilera.

Edison no quedaba satisfecho con solo leer y empezó a realizar diversos experimentos basándose en lo que leía en los libros de ciencias. Utilizaba un vagón vacío como laboratorio, donde también instaló una pequeña prensa de mano que se agenció cuando un amigo del Detroit Free Press le regaló algunos tipos móviles. El resultado fue inmediato: el Grand Trunk Herald, semanario del que Edison tiraba cuatrocientos ejemplares.

A los 16 años, después de trabajar en varias oficinas de telégrafos, donde realizó numerosos experimentos, llegó finalmente su primera auténtica invención, llamada "repetidor automático", que transmite señales de telégrafo entre estaciones sin personal, lo que permite que prácticamente cualquiera pueda traducir fácilmente y con precisión un código a su propio ritmo y conveniencia. Curiosamente, nunca patentó la versión inicial de esta idea

En esa época, Franklin Leonard Pope, ingeniero telegrafista, fue uno de los mentores de Edison. Este inventor le daba alojamiento en su casa de Elizabeth, Nueva Jersey, junto a otros jóvenes emprendedores carentes de medios.[21]​ Edison, quien trabajaba en la Gold Indicator Company, destacó entre ellos, se asoció a Pope y James Ashley con quienes fundó la empresa: Pope, Edison and Co (octubre de 1869), ofreciendo sus servicios como ingenieros eléctricos; en esta compañía Edison comenzó a desarrollar un sistema telegráfico que podía enviar dos mensajes simultáneamente, dispositivo terminado recién en 1874.

Trabajó en la compañía telegráfica Western Union como inventor y reparador, aunque poco después se independizó y en 1877 llevó a cabo uno de sus más importantes inventos, el fonógrafo.

Este invento despertó el interés internacional y llegó a cumplir un papel diplomático. Edison obsequió una máquina parlante a Porfirio Díaz en 1889, a partir de la cual se enviaron mensajes fonográficos e intentó expandir su negocio en México.[24]​

En 1876, Edison se mudó de Newark a Menlo Park, Nueva Jersey, donde reunió un grupo de ayudantes y mecánicos y estableció una "fábrica de inventos". En 1887, cuando dejó Menlo Park, contaba con una lista de casi cuatrocientas patentes.[25]​

Aunque se le atribuye la invención de la lámpara incandescente, esta en realidad solo fue perfeccionada por él, quien, tras muchos intentos consiguió un filamento que alcanzara la incandescencia sin fundirse. Este filamento no era de metal, sino de bambú carbonatado. El 21 de octubre de 1879 consiguió que su primera bombilla luciera durante 48 horas seguidas. En la víspera de Año Nuevo del mismo año, se hizo funcionar con éxito en Menlo Park el primer sistema de alumbrado, construido por Edison, constituido por cincuenta y tres foco

Los aportes de Edison al mundo del cine fueron asimismo muy importantes. En 1889 comercializó la película en celuloide en formato de 35 mm, aunque no la pudo patentar porque un tiempo antes George Eastman ya lo había hecho; aunque sí pudo patentar sus perforaciones laterales.

Por último, en 1897, Edison comenzará la llamada «guerra de patentes» con los hermanos Lumière respecto al invento de la primera máquina de cine.

Sus películas fueron igualmente las primeras en obtener derechos de autor en el mundo. En 2022, una investigación documental de la Biblioteca del Congreso de Estados Unidos descubrió la solicitud de registro de la película The Blacksmith Shop, conocida como La escena del herrero o La escena de la herrería, con fecha 14 de noviembre de 1893, la más antigua solicitud conocida. Después, el 9 de enero de 1894, registraría Edison Kinetoscopic Record of a Sneeze (conocida como El estornudo de Fred Ott).

Aun así, la educación de Thomas no fue escasa pues, en su propia casa, su madre tomó la tarea de formarlo. Cada mañana, tras encargarse juntos de las tareas domésticas, ella le enseñaba a leer, a escribir, nociones básicas de matemáticas, aritmética, historia, geografía y, sobre todo, literatura. Se trataba de un hogar que valoraba mucho los libros y los conocimientos que transmitían, por lo que ambos progenitores incitaron de formar activa los hábitos lectores de Edison. Se dice que, incluso, su padre le premiaba con 10 céntimos cada vez que el pequeño terminaba un libro.

Es uno de los inventores más prolíficos de la historia: cuando obtuvo la última patente, la 1093.ª, tenía 83 años.[18]​

Edison, confeso pacifista, se negó a diseñar armas ofensivas durante la Primera Guerra Mundial y se limitó a diseñar dispositivos de defensa, algo de lo que siempre se enorgulleció.[54]​

Se lo ha acusado de antisemita,[55]​ en especial por su amistad con Henry Ford, quien lo era de modo manifiesto. Sin embargo, si bien compartía algunos de los estereotipos respecto del judaísmo, comunes en los Estados Unidos de finales del siglo XIX, y expresó prejuicios sobre los judíos, también se opuso a su persecución, promovió su emancipación y contrató numerosos judíos en su laboratorio