Diplômé de HEC, ancien élève de l’ENA (promotion Averroès), Thomas Fatome rejoint l’Inspection générale des affaires sociales en 2000. Entre 2003 et 2005, il occupe le poste de conseiller technique chargé des comptes sociaux et de la réforme de l’assurance maladie au cabinet des ministres en charge de la santé. En 2005, il est nommé directeur de cabinet du directeur général de la Caisse nationale de l’Assurance Maladie des Travailleurs Salariés (Cnamts).
En 2008, il devient directeur de cabinet du secrétaire d’État chargé de l’emploi, puis directeur adjoint du cabinet de la ministre de l’Économie, de l’Emploi et de l’Industrie. En 2009, Thomas Fatome devient chef de service, adjoint au directeur de la Sécurité sociale. Il est ensuite nommé en 2010 conseiller chargé de la santé, de la dépendance et des politiques sociales à la Présidence de République. Il occupe les fonctions de directeur de la Sécurité sociale de 2012 à 2017, avant de rejoindre le cabinet du Premier ministre en tant que directeur adjoint de cabinet. Thomas Fatome devient Directeur général de la Caisse nationale de l’Assurance Maladie (Cnam) et de l’Union nationale des caisses d’Assurance Maladie (Uncam).