Thomas Haden Church wurde als viertes von sechs Kindern unter dem Namen Thomas Richard McMillen geboren. Er war der Sohn eines Army-Offiziers und einer Telefonistin. Allerdings wurde er unter dem Nachnamen seines Stiefvaters, „Quesada“, in Laredo, Texas großgezogen. Nachdem er alt genug war, änderte er seinen Nachnamen in „Haden Church“, welcher sich auch in seinem Familienstammbaum finden lässt. Er machte 1979 seinen Schulabschluss an der Harlingen High School in Harlingen, Texas und besuchte anschließend die University of North Texas.
Thomas Haden Church startete seine Karriere bei einem Radiosender. Eine Rolle in einem Independentfilm brachte ihn dazu, nach Kalifornien zu ziehen und eine Schauspielkarriere zu beginnen. Church spielte von 1990 bis 1995 den Mechaniker Lowell Mather in der Sitcom Überflieger. Von 1995 bis 1997 spielte er an der Seite von Debra Messing in der Sitcom Ned & Stacey einen Kreativen aus der Werbebranche.
Church war auch auf der Kinoleinwand zu sehen. Sein erster Kinofilm war 1993 Tombstone. Er spielte unter anderem den bösen Verlobten von Ursula, die von Titelheld George (Brendan Fraser) in der Tarzan-Parodie George – Der aus dem Dschungel kam befreit wird. Es folgten weitere kleine Filmrollen.
2003 brachte er als Drehbuchautor und Regisseur den Film Rolling Kansas in die Kinos, der auf dem Sundance Film Festival Premiere feierte.
2004 spielte er neben Paul Giamatti in dem von Kritikern gelobten Independentfilm Sideways. Für seine Darstellung des Jack gewann er zahlreiche Preise, unter anderem den Independent Spirit Awards als bester Nebendarsteller und wurde in der gleichen Kategorie auch für den Golden Globe und den Oscar nominiert.
In der Comicverfilmung Spider-Man 3 (mit Tobey Maguire), die am 1. Mai 2007 in die deutschen Kinos kam, spielte er die Rolle des Bösewichts „Sandman“. Wenige Monate später wurde er für die Rolle des Tom Harte in dem Fernsehzweiteiler Broken Trail mit dem Emmy als Bester Nebendarsteller in einer Miniserie oder einem Fernsehfilm ausgezeichnet.
Seit 2007 ist Thomas Haden Church mit Mia Church verheiratet und hat mit ihr zwei gemeinsame Kinder. Sie leben auf einer Ranch in Bandera County, welche Church bereits 1998 kaufte.
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