Thomas C. Schelling est le fils de John M. Schelling né le 15 avril 1884, Capitaine de vaisseau à la retraite, décédé le 5 avril 1972 et de Zelda Ayres, née le 5 septembre 1912 décédée en 1994. "Crombie", son second prénom, est le nom de famille de sa grand-mère maternelle, Nancy Crombie. Il a un frère aîné, Robert A. Schelling, né le 23 mai 1917, et une sœur cadette, Nancy Schelling, née le 5 décembre 1922 et mariée à Robert E. Dorfman.
Thomas Schelling est divorcé de Corrine T. Saposs, épousée le 15 septembre 1947 et dont il a eu quatre fils : Andrew, Thomas, Daniel, et Robert, et remarié en 1991 à Alice Coleman Berger, née en Pologne le 16 juillet 1932 (lien) de Zygmunt Modzelewski dit Roman Berger et de Jadwiga Eva née Hechtkopf, et divorcée du médecin Roy M. Coleman dont elle a eu deux enfants, David Daniel Coleman et Robert Berger Coleman (lien).
Thomas Schelling a reçu sa Licence en Sciences économiques (BSc. Econ.) de l'Université de Californie à Berkeley en 1944 et son Doctorat (Ph.D.) en économie de l'Université de Harvard en 1951.
Au début de sa carrière, en 1945, tout en préparant son doctorat, il est entré au Federal Budget Bureau. Puis, en 1948, il a travaillé à Paris avec l'ambassadeur Averell Harriman pour la mise en œuvre du Plan Marshall, pour le suivre ensuite à la Maison-Blanche pour faire partie de son équipe chargée du commerce international.
Thomas Schelling obtint son premier poste de professeur à Yale, puis il passa à l'Université de Harvard, pour y tenir pendant vingt ans la chaire Lucius N. Littauer d'Économie politique à la John F. Kennedy School of Government.
En 1958 Thomas Schelling fut recruté par la RAND Corporation pour réfléchir sur la stratégie avec des intellectuels tels que Herman Kahn et Albert Wohlstetter en appliquant la Théorie des jeux inventée par John von Neumann et Oskar Morgenstern. C'est là qu'il fit la connaissance de Robert Aumann. Il a fait partie de l'équipe d'Albert Wohlstetter, alors assistant de Paul Nitze, aux négociations de Genève sur le contrôle des armements.
Thomas Schelling a également participé à entretenir un débat sur le "réchauffement de l'atmosphère", dans la lignée de sa remise en perspective par les économistes, rappelant que les prescriptions politiques qu'on prétend en tirer n'en découlent pas nécessairement. À ce titre, il a été l'un des experts du Consensus de Copenhague inspiré par Bjørn Lomborg. C'est dans ce domaine que, de 1994 à 1999 publié des recherches à l'IIASA de Laxenburg, en Autriche.