Thomas Chastain est né au Canada, mais grandit aux États-Unis. Il fréquente l'université Johns-Hopkins et travaille à Baltimore, dans le Maryland, et à New York, à partir de 1958, pour des journaux, des magazines et dans la publicité.
Il publie son premier roman Judgment Day en 1962. Son deuxième roman, Death Stalk, publié neuf ans plus tard, en 1971, est adapté pour un téléfilm par Robert Day en 1975. À partir de 1974, il se consacre entièrement à l’écriture. Cette année-là, avec Pandora's Box, il commence une série ayant pour héros l'inspecteur de police Max Kauffmann et le détective privé J.T. Spanner. Tous les romans de Chastain se situent dans la ville de New York.
Les Enfants de la nuit (Nightscape), roman publié en 1982, est, selon Claude Mesplède et Jean-Jacques Schleret, « le meilleur livre de Chastain »[1]. Ce roman raconte comment une mère, habitant un immeuble de luxe près de Central Park, se déguise en clocharde pour rechercher dans les bas-fonds de New-York sa fille disparue.
Avec l'accord des héritiers de Erle Stanley Gardner, il publie en 1989 et 1990 deux romans reprenant le personnage de l'avocat Perry Mason.
En 1992, il écrit une histoire pour un épisode de la série Les Simpson. Membre de la Mystery Writers of America, il en est le président en 1989. Il meurt en d'un cancer du poumon à l'hôpital Lenox Hill de Manhattan.
Claude Mesplède, Les années "Série noire" : bibliographie critique d'une collection policière, vol. 5 : 1982-1995, Amiens, Editions Encrage, coll. « Travaux » (no 36), .