Lothar Thoms è nato il 18 maggio 1956 a Guben, Brandenburg, nella Repubblica Democratica Tedesca.
Assieme ad Arnaud Tournant è stato l'unico atleta capace di vincere quattro titoli mondiali consecutivi nel chilometro da fermo. Mai passato professionista, ha gareggiato per la Sc Cottbus allenato da Gerd Müller.
Ha vinto il suo primo mondiale a San Cristobal in Venezuela nel 1977, battendo il tedesco occidentale Günther Schumacher, poi nel 1978 a Monaco ha battuto il canadese Jocelyn Lovell, nel 1979 ad Amsterdam invece ha preceduto l'altro canadese Gordon Singleton.
Nel 1980 ha vinto le Olimpiadi di Mosca, stabilendo anche il record del mondo in 1'02"955 (rimasto imbattuto sino al 1986), davanti al sovietico Aleksandr Panfilov ed al giamaicano David Weller.
Nel 1981a Brno, in Cecoslovacchia, ha vinto il suo ultimo mondiale sul tedesco dell'ovest Freddy Schmidtke (futuro vincitore delle Olimpiadi di Los Angeles '84 ) e sul sovietico Sergey Kopylov.
Nel 1982 a Leicester in Inghilterra si piazza secondo, battuto da Schmidtke e nell'83 a Zurigo termina terzo dietro a Kopylov ed a Scheller.