In Dresden 1969 geboren, studierte Thomas Mehlhorn Schauspiel an der Theaterhochschule „Hans Otto“ in Leipzig und machte seine ersten Bühnenerfahrungen bereits während seines Studiums am Staatsschauspiel Dresden. Sein erstes Engagement führte ihn 1991 an das Schauspiel Frankfurt. Es folgten Festengagements am Deutschen Schauspielhaus Hamburg und am Staatstheater Hannover. In diesen Jahren arbeitete er u.a. mit Wolfgang Engel, Leander Haussmann, Dimiter Gottscheff, Franz Wittenbrink und Christoph Schlingensief. Nach einer Zeit mit verschiedenen Gastengagements am Berliner Ensemble, am Theater am Turm in Frankfurt und am Schauspiel Köln, wechselte Thomas Mehlhorn wieder in ein Festengagement, zunächst an das Theater Freiburg, dann erneut an das Staatstheater Hannover. Seit 2014 arbeitete er freischaffend an verschiedenen Häusern wie dem Schauspielhaus Bochum und dem Deutschen Schauspielhaus Hamburg. Langjährige Arbeitsbeziehungen verbinden ihn mit den Regisseur*innen Christoph Frick, Sandra Strunz, Heike M. Goetze, Florian Fiedler und Christian Tschirner. Seine prägenden Rollen waren Mauler (Die Heilige Johanna der Schlachthöfe), Jago (Othello), Kreon (Antigone), Tellheim (Minna von Barnhelm), Ka (Schnee), Ivan (Adams Äpfel), Heinrich IV (Schlachten) und Trigorin (Möwe). Neben dem Theater ist er an Film- und Fernsehproduktionen beteiligt, so in Tatort, Großstadtrevier und dem Kinofilm Zwischen uns die Mauer. Zu seinem Erfahrungsbereich gehört ebenso die Arbeit mit dem Theaterkollektiv LUNATIKS, deren Produktion Blühende Randschaften*Stahl zu zahlreichen Festivals eingeladen war, sowie eine zweijährige Lehrtätigkeit an der Schule für Schauspiel Hamburg.
Ab der Spielzeit 2022/23 ist Thomas Mehlhorn festes Ensemblemitglied am Theater Regensburg.