Thomas Dörfler begann seine Laufbahn als Bühnen- und Kostümbildner als Assistent seines Vaters Walter Dörfler. Im Anschluss daran arbeitete er als freier Theatermaler für Film, Fernsehen und Theater. An den Münchner Kammerspielen malte er für Bühnenbildner wie Bob Wilson und Jürgen Rose.
Von 1996 bis 2002 war Thomas Dörfler Chefbühnenbildner am heutigen Landestheater Niederbayern. Seit 2002 ist er Ausstattungsleiter des Pfalztheaters Kaiserslautern. Bislang erarbeitete er etwa 200 Bühnenausstattungen für die Theater in Zürich, Salzburg, Innsbruck, Brünn, und vielen deutschen Städten, zum Beispiel für das Bayerische Staatsschauspiel in München, das Staatstheater Darmstadt und das Pfalztheater Kaiserslautern.
2014 erhielt er für sein Bühnenbild zu Verdis Rigoletto in Trier von der Zeitschrift Opernwelt eine Nominierung zum Bühnenbildner des Jahres. 2018 wurde er von der Zeitschrift Die Deutsche Bühne für The Rake’s Progress in Kaiserslautern als Bühnenbildner des Jahres genannt.
Für das Bühnenbild der österreichischen Erstaufführung von Johanna Doderers Oper Liliom am Tiroler Landestheater Innsbruck erhielt er den Österreichischen Musiktheaterpreis 2020 in der Kategorie Beste Ausstattung.
2023 führte ihn die Arbeit für ein Bühnenbild zu Webers Der Freischütz nach Kaohsiung und Taipei/Taiwan.
Die 2022 in Innsbruck entstandene Produktion von Mieczysław Weinbergs Oper Die Passagierin mit seinem Bühnenbild wurde 2023 in der Königsdiszilplin des Österreichischen Musiktheaterpreises als beste Opernproduktion des Jahres ausgezeichnet und im Wiener Rathaus geehrt. Diese Aufführung wurde 2026 an der Opera National du Capitole Toulouse als französische Erstaufführung gezeigt.
Neben der Theaterarbeit wirkt er auch als freier Künstler in den Bereichen Malerei und Photographie.
