Diplômé de l’École nationale des Travaux Publics de l’État et de l’École nationale des Ponts et Chaussées, Thomas Allary débute sa carrière dans la conduite d’opérations immobilières au Maroc pour le ministère des Affaires étrangères, puis dans la maîtrise d’ouvrage routière au ministère des Transports.

En 2008, il est nommé Directeur des Transports du Conseil régional d’Auvergne, avant d’être appelé en 2010 au cabinet du ministre d’État en charge du Développement Durable, comme Conseiller Transports. Il entre à Réseau Ferré de France en 2011 où il dirige le projet de LGV Paris - Orléans - Clermont - Lyon, puis devient en 2012 directeur régional en Grand Est de SNCF Réseau. Il rejoint TER en 2016 en tant que directeur régional adjoint en Auvergne-Rhône-Alpes, avant de revenir chez SNCF Réseau comme directeur régional Auvergne-Rhône-Alpes en 2017.

En 2023, il devient directeur du programme SERM de SNCF Réseau et SNCF Gares & Connexions. En 2025, il est nommé directeur général adjoint Grands Projets de SNCF Réseau.