Thomas Grenon est polytechnicien et ingénieur des Mines. Il débute en 1989 au service nucléaire de la direction générale de l'énergie du ministère de l'Industrie. Il a ensuite occupé des fonctions au ministère des Finances ainsi qu'au ministère de la Culture et de la Communication.
En 1997, Thomas Grenon devient directeur général adjoint de la Financière Agache, puis secrétaire général d'Axa France et directeur d'investissement à la Royal Bank of Scotland. En 2003, il est nommé directeur de la Cité des sciences et de l'industrie. S'ensuit sa nomination à la direction du Muséum national d'histoire naturelle (MNHN) en 2010 puis à la direction du LNE en avril 2016.