Томас Уилис получава медицинската си степен през 1646 година, но първоначално има затруднения при установяване на практика и прекарва голяма част от следващото десетилетие сред научните дилетанти на „експерименталния философски клуб“ в Оксфорд, работейки върху ферментацията и химическите теории относно съставните части на материята. По-късно Уилис става известен със своите задълбочени изследвания на нервната система и на различни заболявания. Става професор по естествена философия в Оксфорд и открива лондонска практика през 1666 година, която става най-модерната и печеливша за периода.
През 1664 г. Томас Уилис публикува текст за мозъка и нервите, наречен Cerebri Anatome, в който прави най-пълното и точно описание на нервната система от онова време. Описва хексагоналната непрекъснатост на артериите (кръгът на Уилис), разположени в основата на мозъка и осигуряващи на този орган максимално кръвоснабдяване и на XI черепно-мозъчен нерв, отговорен за двигателната стимулация на основните мускули на врата.
Уилис е и първият, който описва болестта миастения гравис през 1671 година.
