1939年获加州理工学院哲学博士学位。1939～1947年入贝尔实验室从事微波波谱学和雷达研究。1948～1959年任哥伦比亚大学物理学教授、辐射实验室主任、物理系主任。1959～1961年任国防分析研究所所长兼研究主任。1961年后任麻省理工学院教务长兼物理系教授。1967年起任加州大学教授。美国国家科学院院士，英国皇家学会会员。

汤斯在20世纪40年代研究微波波谱学，1951年产生微波激射的想法，他和同事历经两年的试验，在1954年制成第一台微波激射器。1958年与A.L.肖洛合作，提出设计激光器初步方案及其研制的可能性和特性。在此基础上，红宝石脉冲固体激光器和氦氖气体连续波激光器在1960年相继问世。由于这一贡献，汤斯和苏联物理学家N.G.巴索夫和A.M.普罗霍罗夫同获1964年诺贝尔物理学奖。1960年以后，汤斯从事非线性光学研究。1968年在加州大学开创射电和红外天文学研究，与他人合作发现星际空间复杂分子（氨和水）。他在微波激射器、激光器、飞机导航等方面获13项专利。