Thornton Niven Wilder nacque a Madison, nel Wisconsin, come terzo figlio di Amos Parker Wilder, un diplomatico degli Stati Uniti, e di Isabella Niven. Assieme ai suoi fratelli passò parte dell'infanzia in Cina a causa del lavoro del padre. Il fratello più vecchio di Wilder, Amos Niven Wilder, era un Hollis Professor of Divinity alla Harvard Divinity School e un noto poeta. La sua sorella più giovane, Isabel Wilder, era una buona scrittrice. Entrambe le altre sorelle, Charlotte Wilder (una poetessa di una certa fama) e Janet Wilder Dakin (una zoologista), frequentarono il Mount Holyoke College con ottimi risultati. Thornton Wilder nacque assieme ad un fratello gemello che morì durante il parto.

Wilder iniziò a scrivere testi per il teatro mentre frequentava la The Thacher School a Ojai, California, dove veniva schernito dai compagni perché eccessivamente intelligente. Come ricorda un compagno di classe "Lo lasciavamo da solo, semplicemente lo isolavamo. E lui si ritirava nella biblioteca, il suo nascondiglio, imparando ad allontanarsi dalla derisione e dall'umiliazione". La sua famiglia visse per un certo tempo a Berkeley, California dove sua sorella Janet nacque nel 1910. Thornton si iscrisse alla Emerson Elementary School a Berkeley, e si diplomò alla Berkeley High School nel 1915.

Dopo aver prestato servizio nella Guardia Costiera durante la Prima Guerra Mondiale, si iscrisse al Oberlin College prima di laurearsi all'Università Yale nel 1920, dove affinò la propria capicà di scrittura frequentando la fraternità Alpha Delta Phi, un circolo letterario. Ottene un master in Francese all'Università di Princeton nel 1926.

Nel 1926 fu pubblicato The Cabala il primo romanzo di Wilder. Nel 1927, Il ponte di San Luis Rey fu un successo dal punto di vista commerciale e gli fruttò il Premio Pulitzer nel 1928. Dal 1930 al 1937 insegnò all'Università di Chicago. Nel 1938 e 1943 vinse il Premio Pulitzer per la sua opera Piccola città e The Skin of Our Teeth. Nella Seconda Guerra Mondiale venne promosso al grado di tenente colonnello nella aviazione degli Stati Uniti e ricevette diverse decorazioni. Quindi divenne professore all'Univerista delle Hawaii e insegnante di poesia ad Harward. Nonostante si considerasse primariamente un insegnante piuttosto che uno scrittore ha continuato a scrivere per tutta la vita, ricevendo il Friedenspreis des Deutschen Buchhandels nel 1957 e la Presidential Medal of Freedom nel 1963. nel 1967 vinse il National Book Award per il suo romanzo The Eighth Day.

Wilder morì nel sonno il 7 dicembre 1975 a Hamden, Connecticut, all'età di 78 anni.