Chalmers studierte 1795-1798 zu St. Andrews Theologie, Mathematik, Chemie und Astronomie. Seit 1799 hielt er selbst dort Vorlesungen. Diese setzte er auch fort, als er 1803 in Kilmany Pfarrer geworden war. 1813 wurde er Prediger in Glasgow, und zehn Jahre später Professor für Moralphilosophie sowie 1828 Professor für Theologie in Edinburgh.

Am 18.05 1843 trat er mit einem großen Teil der Geistlichen aus der Staatskirche aus, als die Macht der Patrone gegenüber der Generalversammlung der Presbyterianischen Kirche zu groß wurde und weder Gerichte noch das Parlament Abhilfe zu schaffen vermochten. Er sah hierin eine Schmach, die der Kirche Christi durch die weltliche Macht zugefügt wurde. Man nannte diese Verteidiger der Selbständigkeit der Kirche auch Nonintrusionists.

Der Aufbau, die Organisation und die Ausdehnung der "Freien schottischen Kirche" ist ein Verdienst von Thomas Chalmers.

Seine Schriften umfassen 34 Bände, die sich meist in apologetischer Weise mit Theologie beschäftigen. Chalmers hat durch Predigten, Seelsorge und die Organisation der kirchlichen Sozialfürsorge gewirkt.

Seine Studien, die Theologie mit den Naturwissenschaften und der Volkswirtschaft verbanden, übten einen belebenden Einfluss auf die Kirche seiner Zeit aus.