Nach ersten Studienjahren an der Kunstakademie in Karlsruhe in Malerei und Bildhauerei übersiedelt Thomas Müllenbach 1972 nach Zürich, um am Schweizerischen Institut für Kunstwissenschaft eine Ausbildung zum Restaurator zu absolvieren. 1974 und 1975 erhält er das Stipendium für Bildende Kunst der Stadt Zürich; 1979 – ebenfalls von der Stadt Zürich – ein einjähriges Atelierstipendium in New York. Nach seiner Rückkehr erste Einzelausstellung im Kunsthaus Zürich. Müllenbach ist 1985 Initiator und Mitbegründer der Kunsthalle Zürich, dessen Vizepräsident er bis 2003 bleibt. Von 1989 bis 2015 wirkt er als Professor an der Zürcher Hochschule der Künste. Thomas Müllenbach lebt in Zürich und Gaboin, Frankreich.