Natural da cidade de Tietê, no interior paulista, Thomaz Chocchiarali Bellucci começou no tênis logo cedo, já aos 5 anos de idade, por causa de seus pais. O tênis sempre esteve envolvido em sua vida, não só como profissão, mas também como ambiente social em que se sentia confortável. Eu conseguia ser mais feliz dentro de quadra. Deu seus primeiros passos no clube Ipê e depois passou por várias academias. Aos 11 anos, o canhoto paulista começou a competir e se destacar no cenário juvenil nacional e por volta dos 14 anos passou a levar a modalidade mais a sério, já pensando nela como profissão.
No juvenil, Bellucci alcançou resultados expressivos internacionais apenas no último que jogou o circuito, em 2004, quando disputou dois dos quatro do Grand Slam (Roland Garros, e Wimbledon) e teve dois vice-campeonatos em torneios de Grau 1 e 2, chegando assim ao 15º lugar no ranking da ITF. Neste mesmo ano, ainda com 16 anos, disputou as primeiras chaves principais de torneios profissionais, conquistando sua primeira vitória no future de Caldas Novas.
Seu começo no circuito profissional não foi fácil, teve que operar o joelho no final de 2004 e só voltou no meio do ano seguinte e teve novo problema no joelho no final de 2006, começando a temporada seguinte só em março, o que atrapalhou o canhoto de Tietê. Apenas em 2007 é que conseguiu conquistar seu primeiro título e a partir de então não parou mais. Ao todo foram 14 taças levantadas em simples, apenas a primeira foi em nível future, com mais nove conquistas em challenger e quatro em ATP.
A temporada de 2008 foi a mais vitoriosa em questão de títulos, com quatro, e serviu como um divisor de águas, já que estas conquistas o levaram pela primeira vez ao top 100. Reservado, o paulista ficou um pouco ofuscado por ter sido o primeiro jogador de maior destaque após aposentadoria do ex-número 1 do mundo Gustavo Kuerten. Ainda assim, foi o segundo melhor brasileiro na história do ranking, da ATP,, chegando ao 21º lugar. Ele também conquistou quatro títulos de ATP, todos no saibro, dois deles no ATP 250 de Gstaad (2009 e 2012), um no ATP 250 de Santiago e o último deles no ATP 250 de Genebra. Além disso, disputou mais quatro finais, ficando com o vice no Brasil Open (2009), em Moscou (2012), Quito (2016) e Houston (2017).
Em sua vitoriosa carreira, enfrentou nomes históricos da ATP e bateu quatro ex-número 1 do mundo: os espanhóis Juan Carlos Ferrero e Carlos Moyá, o australiano Lleyton Hewitt e o britânico Andy Murray. A vitória sobre o então número 4 Murray foi a maior da carreira e veio em uma semana espetacular no Masters 1000 de Madri, em 2011, derrotando dois top 10 para parar apenas em Djokovic na semifinal, com uma derrota de virada. O sérvio também esteve em outro grande jogo de Bellucci, que chegou a anotar um “pneu” contra ele no primeiro set das oitavas do Masters 1000 de Roma, mas depois levou outra virada do sérvio.
Bellucci disputou três jogos olímpicos defendendo a bandeira brasileira: Pequim 2008, Londres 2012 e Rio de Janeiro 2016. No Brasil, teve seu melhor resultado ao atingir as quartas de final, onde acabou derrotado por Nadal, em mais uma virada. Na Copa Davis, ele é o terceiro jogador com mais vitórias em simples, empatado com Guga, ambos com 21, ficando atrás apenas das 41 de Edison Mandarino e das 46 de Thomaz Koch.
Mesmo sem focar muito nas duplas, obteve alguns bons resultados e chegou ao 70º lugar no ranking. Foi campeão no saibro do ATP 250 de Stuttgart em 2013, ao lado do argentino Facundo Bagnis, e vice-campeão no ATP 250 de Quito em 2016, com Marcelo Demoliner, e no Rio Open de 2019, com Rogério Silva. Em sua vitoriosa carreira, ficou faltando apenas uma campanha mais aguda em Grand Slam, nunca passou da segunda rodada no Australian Open e não avançou mais do que a terceira rodada em Roland Garros, Wimbledon e no US Open.