В 1998 году окончил лицей Пьера Корнеля в Руане.
В 2001 году получил степень магистра наук в области разработки и управления космической техники в Высшей школе аэронавтики и космических исследований (фр. Institut supérieur de l’aéronautique et de l’espace) в Тулузе.
Последний год обучения провёл в Политехнической школе в г. Монреаль (Канада) по программе обмена студентов, изучающих аэронавтику и космонавтику. В 2004 году поступил, и в 2006 году окончил лётную школу авиакомпании Air France (Air France flight school), получил лицензию пилота транспортной авиации ATPL-IR (Airline Transport Pilot License) с допуском к полётам по приборам. В апреле — сентябре 2001 года проходил инженерную стажировку во французско-итальянской аэрокосмической компании Thales Alenia Space в Каннах (Франции).
С октября 2001 до 2002 года работал инженером по динамике космических аппаратов дистанционного зондирования в компании англ. GMV S.A. в Мадриде (Испания). В 2002—2004 годах работал инженером-исследователем во Французском космическом агентстве (CNES), где занимался вопросами автономности космических миссий.
В 2002 году был представителем Национального центра космических исследований (CNES) в Международном консультативном комитете по космическим информационным системам передачи данных (CCSDS). В 2004 году будучи пилотом-любителем, был отобран для подготовки лётчиков авиакомпании Air France. Перед зачислением в отряд астронавтов работал пилотом самолёта Airbus-320s в авиакомпании Air France.
Имеет более 2300 часов налёта на пассажирских самолётах, стал инспектором-инструктором Airbus A320 и инструктором по управлению ресурсами экипажа. 20 мая 2009 года был отобран из 8413 кандидатов в отряд астронавтов ЕКА одним из шести во время четвёртого набора.
22 ноября 2010 года, после завершения курса общекосмической подготовки на официальной церемонии, состоявшейся в Европейском Центре Астронавтов в немецком Кёльне, получил сертификат астронавта ЕКА.Работал руководителем полётами в Центре управления полётами в г. Мюнхене (Германия), а также в Европейском центре астронавтов отвечал за разработку планов по будущей кооперации с новыми партнёрами, в частности, с коллегами из Китая.
С 13 сентября по 14 ноября 2010 года проходил тренировочную сессию в Центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина. Программа стажировки включала: изучение русского языка, ознакомительную подготовку по российскому сегменту МКС, кораблю «Союз» и скафандру «Сокол», а также полёты на спецсамолете Ту-134 для проведения визуально-инструментальных наблюдений.
В январе 2012 года проходил тренировки по отработке действий после приземления в лесисто-болотистой местности зимой. В сентябре 2013 года Т. Песке принял участие в тренировках, имитирующих работу в открытом космосе, которые проходили на дне Атлантического океана в подводном научно-тренировочном центре «Аквариус».
С ноября 2013 проходил подготовку в составе дублирующего экипажа МКС‑45/46/ЭП-18 в качестве бортинженера ТПК «Союз ТМА-18М» и бортинженера МКС ЭП-18. В 2014 году назначен бортинженером дублирующего экипажа Союз ТМА-18М. С сентября 2015 года проходит подготовку в составе дублирующего экипажа МКС-48/49 в качестве бортинженера ТПК «Союз МС» и бортинженера МКС-48/49.
11 февраля 2016 года в составе экипажа вместе с Олегом Новицким и Пегги Уитсон прошёл тренировку по действиям в случае аварийной посадки в лесисто-болотистой местности зимой. Члены экипажа успешно справились со всеми заданиями: построили два вида укрытий (односкатный шалаш и вигвам), обозначили для поисково-спасательных сил своё местонахождение с помощью светосигнального патрона и костра и оказали медицинскую помощь «раненому» коллеге на этапе перехода к месту встречи со спасателями.
26 мая 2016 года в Центре подготовки космонавтов вместе с космонавтом Олегом Новицким и астронавтом Пегги Уитсон сдал экзаменационную тренировку на тренажёре корабля «Союза МС».
27 мая 2016 года экипаж сдал предполётную экзаменационную тренировку на российском сегменте МКС. 6 июля 2016 года на заседании Государственной комиссии по проведению лётных испытаний пилотируемых космических комплексов на космодроме Байконур утверждён в качестве бортинженера дублирующего экипажа корабля «Союз МС».
7 июля 2016 года во время старта корабля «Союз МС» был бортинженером дублирующего экипажа. 24 октября 2016 года сдал экзаменационную тренировку на тренажёре российского сегмента МКС, а 25 октября 2016 года комплексную зачётную тренировку на тренажёре ТПК «Союз».
26 октября 2016 года на заседании Межведомственной комиссии в Центре подготовки космонавтов экипаж в составе Олега Новицкого, Тома Песке и Пегги Уитсон был рекомендован для продолжения предстартовой подготовки на космодроме Байконуре в качестве основного экипажа. 24-25 октября 2016 года основной и дублирующий экипажи ТПК «Союз МС-03» выполнили программу комплексных экзаменационных тренировок в ЦПК имени Ю. А. Гагарина. 26 октября Межведомственная комиссия в Центре подготовки космонавтов рекомендовала экипажи МКС-50/51 для продолжения предстартовой подготовки на космодроме Байконур.
Первоначально старт космического корабля «Союз МС-03» был запланирован на 16 ноября 2016 года, 27 октября Совет главных конструкторов по российскому сегменту МКС установил новую дату запуска — 17 ноября 2016 года в 23:20 мск, с площадки № 1 («Гагаринский старт») космодрома Байконур. С учётом последнего переноса старта на сутки, стыковка с МКС запланирована на 20 ноября.
1 ноября 2016 года основной и дублирующий экипажи МКС-50/51 прилетели на Байконур и приступили к предстартовой подготовке[9]. 2 ноября экипажи ТПК «Союз МС-03» провели первую тренировку на космодроме Байконур. Космонавты и астронавты прошли вводный инструктаж по мерам безопасности, провели примерку скафандров и проверку их на герметичность, ознакомились с размещением грузов на космическом корабле, проверили работоспособность систем радиосвязи.
3 ноября на 17-й площадке Байконура состоялась церемония поднятия флагов стран, участвующих в запуске пилотируемого корабля «Союз МС-03» и длительной экспедиции на МКС. Традиционное мероприятие символизирует официальный старт заключительного этапа подготовки космонавтов к пилотируемому запуску.
Тома Песке говорит на пяти языках — французском, английском, испанском, немецком и русском языках. В настоящее время учит шестой — китайский.
Он с детства увлекается спортом, имеет чёрный пояс по дзюдо, занимается плаванием, бегом трусцой, парапланеризмом, альпинизмом, дайвингом, игрой в сквош, ездой на горном велосипеде. Играет на саксофоне, любит чтение литературы. Радиолюбитель с позывным KG5FYG.
