Donald Thomas nasceu em 1955 em Cleveland, nos Estados Unidos. Formou-se em Física e doutorou-se em Ciência dos Materiais pela Universidade Cornell, em 1982. Em 1987, trabalhando na Lockheed, teve o primeiro contacto com a tecnologia espacial enquanto responsável pela análise do material usado nas cargas levadas a bordo das naves espaciais. Em 1990 foi seleccionado para o corpo de astronautas da NASA, trabalhando inicialmente como controlador de missão em terra. Em 1994 fez a sua primeira missão ao Espaço, a bordo da STS-65 Columbia, tendo realizado mais de 80 experiências em órbita, especialmente na área da microgravidade.
Um ano depois, embarcou numa segunda missão, com a STS-70 Discovery, sendo responsável por colocar em órbita, a partir da nave espacial, uma rede de satélites criada para a comunicação entre a Terra, outros satélites em órbita terrestre e a Estação Espacial Internacional.
A terceira missão teve lugar em 1997, para estudos com o laboratório de pesquisas Spacelab. Com uma duração inicialmente prevista de duas semanas, a missão acabaria por abortar ao fim de três dias devido a um problema com uma das células da unidade de geração de força da nave espacial. Três meses depois, Don e toda a tripulação da STS-83 voltariam à órbita para completar a missão, na mesma nave, mas agora com o código de voo STS-94.