Thomas Voeckler est né le 22 juin 1979 à Schiltigheim et passe son enfance à Herbitzheim jusqu’à l’âge de 7 ans. Son père, psychiatre, est passionné de voile et c’est pour cette raison que la famille s’installe en Martinique. C’est là que Thomas découvre le cyclisme : il débute à l’Étoile cycliste du Lamentin, puis rejoint le Club cycliste de Trinité. Pour ses 13 ans, son père lui offre son premier vélo de compétition (acheté à Strasbourg) avec lequel il participera à ses premières compétitions cyclistes. Ce sera son dernier cadeau : quelques mois plus tard, il disparaît en mer.
« J’ai traversé 3 fois l’Atlantique à la voile, en famille. La première, c’était pour aller habiter en Martinique, en 1986. Après, je l’ai fait à deux reprises avec mon papa et ses amis, en convoyage. Ce sont des expériences très enrichissantes et après coup, je me rends compte que ce n’était pas banal… C’est aussi un souvenir très douloureux car mon papa a disparu en mer, le 10 octobre 1992. »
A 17 ans, Thomas rentre en métropole pour y poursuivre ses études. Il intègre la section sport-études de La Roche-sur-Yon et passe un BTS de vente. Il rejoint ensuite l’équipe amateur Vendée U, dirigée par Jean-René Bernaudeau, puis remporte le classement national espoirs de Vélo Magazine en 2001. C’est le début de sa carrière professionnelle.