Al principio, Newman estaba más interesado en el teatro musical que en la composición de películas, trabajando con Sondheim en obras de Broadway. Lionel, que sucedió a Alfred como director musical de 20th Century Fox, le dio a Thomas su primera asignación de música en un episodio de 1979 de la serie The Paper Chase. En 1983, John Williams, que era amigo de Alfred y Lionel, invitó a Newman a trabajar en Return of the Jedi, orquestando la escena en la que Darth Vader muere. Posteriormente, Newman conoció al productor Scott Rudin en Nueva York y Rudin lo invitó a componer la banda sonora de Reckless (1984). Newman dijo que pensaba que «era un trabajo duro, al principio» por requerirle «desarrollar vocabularios y un sentido de procedimiento», solo sintiéndose cómodo escribiendo partituras «y no fraudulentas en mis esfuerzos» después de 8 años.
En 1992, Newman compuso la partitura para The Player de Robert Altman y Scent of a Woman de Martin Brest.
En 1994, recibió sus primeras nominaciones a los Premios Óscar con las partituras de The Shawshank Redemption de Frank Darabont y Little Women de Gillian Armstrong. También anotó The War de Jon Avnet. En 1996, anotó Unstrung Heroes de Diane Keaton, recibiendo otra nominación al Oscar. En 1998, compuso The Horse Whisperer de Robert Redford y Meet Joe Black de Martin Brest. En 1999, Newman compuso la partitura para el primer largometraje de Sam Mendes, American Beauty, creado principalmente con instrumentos de percusión. Newman creía que la partitura ayudó a mover la película sin alterar la «ambigüedad moral» del guion, diciendo que «Fue un acto de equilibrio muy delicado en términos de lo que la música funcionó para preservar eso.». Recibió una cuarta nominación al Oscar por esta partitura, y aunque perdió de nuevo (ante John Corigliano por El Violín Rojo), recibió un Grammy y un BAFTA.
Su éxito comercial y crítico continuó en los años siguientes con sus partituras para películas como Erin Brockovich de Steven Soderbergh y In the Bedroom de Todd Field’s. Fue nominado consecutivamente para otros tres Premios de la Academia, por Road to Perdition de Sam Mendes (2002), Finding Nemo de Andrew Stanton (2003) y A Series of Unfortunate Events de Lemony Snicket de Brad Silberling (2004). Sin embargo, perdió en cada ocasión ante Elliot Goldenthal (por Frida), Howard Shore (por El Señor de los Anillos: El Regreso del Rey) y Jan A. P. Kaczmarek (por Finding Neverland).
En 2006 se asoció una vez más con Todd Field para Little Children y Steven Soderbergh para The Good German (fue nominado para este último). En la ceremonia de los Oscar, apareció en el segmento de apertura de Errol Morris, quien en broma declaró que Newman había sido nominado y no pudo ganar un Oscar ocho veces. Newman respondió: «No, he fallado siete, pero este será mi octavo», y de hecho, volvió a perder, esta vez ante Gustavo Santaolalla por Babel.
Su primera partitura desde The Good German fue para Alan Ball’s Towelhead. En 2008 compuso la película de animación WALL-E, colaborando por segunda vez con el director Andrew Stanton (la primera colaboración fue Buscando a Nemo). La película ganó el Premio de la Academia a la Mejor Película Animada (como had Nemo). Newman recibió dos nominaciones al Oscar: una a la Mejor Banda Sonora Original y otra a la Mejor Canción Original por «Down to Earth», que coescribió con Peter Gabriel. Fue nominado en la categoría de Partitura Original con otros dos compositores veteranos, James Newton Howard y Danny Elfman, ambos de los cuales también han sido nominados para varios Oscar, pero cada vez sin éxito. Newman perdió tanto la banda sonora como las nominaciones a A R Rahman por su trabajo en Slumdog Millionaire. Sin embargo, él y Peter Gabriel ganaron un Grammy por «Down to Earth».
En 2008 también compuso Revolutionary Road de Sam Mendes. En 2009, compuso Jim Sheridan’s Brothers (el remake de la película de Susanne Bier). En 2011, anotó The Help de Tate Taylor, The Debt de John Madden, The Iron Lady de Phyllida Lloyd y The Adjustment Bureau de George Nolfi.
En 2012, Newman anotó The Best Exotic Marigold Hotel de John Madden. También compuso la 23ª película de James Bond Skyfall, que celebra el 50 aniversario de la franquicia cinematográfica. Su trabajo en esta película le valió su undécima nominación al Oscar y una segunda victoria en los BAFTA. Durante el 2013, anotó los efectos secundarios de Steven Soderbergh y Saving Mr. Banks de John Lee Hancock. Esta última banda sonora fue muy bien recibida por los críticos de música de cine, ganando nominaciones a Newman BAFTA y a los Oscar por segundo año consecutivo, las cuales perdió ante Steven Price por Gravity.
Los proyectos de 2014 de Newman incluyeron The Judge de David Dobkin y Get on Up de Tate Taylor. En 2015, compuso The Second Best Exotic Marigold Hotel de John Madden, la primera vez que Newman compuso una secuela de una película para la que también escribió la banda sonora. También ese año, Newman regresó para componer la 24ª película de James Bond de Sam Mendes, Spectre, la secuela de Skyfall y colaboró con Steven Spielberg para Bridge of Spies, marcando la primera colaboración de Newman con Spielberg y la primera película para Spielberg en no contar con una partitura musical de su compositor de larga data John Williams, no desde la producción de The Color Purple en 1985. Por su partitura en Bridge of Spies, Newman obtuvo otras nominaciones al Oscar y al Grammy.
En 2016, Newman compuso la película Morten Tyldum’s Passengers protagonizada por Chris Pratt, Jennifer Lawrence, Michael Sheen y Laurence Fishburne, por la que recibió su 14ª nominación al Oscar. Tres años más tarde, Newman se reunió con Sam Mendes para su película de guerra 1917, por la que Newman recibió sus nominaciones al 6º BAFTA y al 15º Oscar.
A Newman le gusta variar la instrumentación en sus partituras, que van desde la orquesta completa hasta la música de percusión. También le gusta incorporar instrumentos inusuales como la cítara, la zanfona, el salterio y el dulcímero martillado, o sonidos inesperados, como los cantos aborígenes y el canto de las cigarras. El compositor declaró que tiene » un interés en la experimentación mundana.»