Thomas Brunmayr studierte bei Wilfried Brandstötter an der Anton Bruckner Privatuniversität Linz und spielte während der Studienzeit im Brucknerorchester Linz und seit 2010 als ständige Aushilfe an der Oper Frankfurt. Seit der Spielzeit 2012/13 ist er Tubist im Staatsorchester Stuttgart, dem Hausorchester der Staatsoper Stuttgart, unter GMD Sylvain Cambreling und GMD Cornelius Meister.
Bei zahlreichen Gastauftritten spielte er u.a. im Orchester der Bayerischen Staatsoper München, bei den Münchner Philharmonikern, dem Radio-Sinfonieorchester Stuttgart und den Düsseldorfer Symphonikern.
Rege Aushilfstätigkeiten führten zu Engagements bei namhaften Orchestern, u.a.: Münchner Philharmoniker, Bayerische Staatsoper München, SWR Symphonieorchester Stuttgart, Staatstheater Nürnberg, Düsseldorfer Symphoniker, NDR Radiophilharmonie Hannover, BR Münchner Rundfunkorchester, Stuttgarter Philharmoniker.
Thomas Brunmayr spielte unter der Leitung von u.a. Valery Gergiev, Kirill Petrenko, Herbert Blomsted, Christoph Eschenbach, Marek Janowski, Semyon Bychkov, Jonathan Nott und wirkte bei renommierten Festivals wie den BBC Proms, Pfingstfestspielen Baden-Baden, Wiener und Berliner Festwochen oder den Ludwigsburger Festspielen mit.
Von 2014–2018 war er Lehrbeauftragter für Kontrabasstuba an der Musikhochschule Stuttgart und seit 2019 Professor für Tuba und Blechbläserkammermusik an der Musikhochschule Freiburg im Breisgau. Seit September 2021 unterrichtet er an der Hochschule für Musik FHNW.