Seit 1993 leitet er die Abteilung für Klima-und Umweltphysik am Physikalischen Institut der Universität Bern, die weltweit führend ist in der Bestimmung der Treibhausgaskonzentrationen anhand von Eisbohrkernen aus der Antarktis und der Modellierung von vergangenen und zukünftigen Klimaänderungen.
Thomas Stocker ist Autor und Mitautor von über 200 wissenschaftlichen Artikel und hat für seine Arbeiten den Dr. Honoris Causa der Universität Versailles und die Hans Oeschger Medaille der European Geosciences Union erhalten. Von 2008 bis 2015 war er Co-Vorsitzender der Arbeitsgruppe I des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, Weltklimarat). Der Bericht, der unter seinem Vorsitz im September 2013 von allen Ländern verabschiedet wurde, bildete die wissenschaftliche Grundlage für das Klimaabkommen von Paris.