Thomas Wright Waller naît le 21 mai 1904 dans le quartier de Harlem à New York (États-Unis). Son père, le prêcheur baptiste Edward Waller, lui enseigne dans sa jeunesse, dès six ans, quelques rudiments d'orgue à l'église et de piano à la maison. Il pense alors faire du garçon son successeur à la chaire dominicale.
À l'école, le jeune Thomas Waller joue dans un orchestre dirigé par Edgar Sampson, futur compositeur et arrangeur de Chick Webb (« Stompin' at the Savoy »). À quatorze ans, il perd sa mère. Waller choisit alors de s'investir totalement dans la musique ; en 1919, il remporte un concours de jeunes talents en interprétant « Carolina Shout » de James P. Johnson qui devient son professeur, ainsi que Leopold Godowsky pour sa formation classique à la Julliard School de New York.
En 1922, celui que l'on surnomme « Fats » pour son physique rondouillard enregistre son premier disque « Birmingham Blues / Muscle Shoals Blues » pour la marque OKeh, qui abrite les fameuses chanteuses de blues Bessie Smith et Alberta Hunter. Le titre est abondamment diffusé sous la forme d'un rouleau perforé pour être joué sur les pianos mécaniques des bars. « Fats » Waller sert d'accompagnateur et joue dans des soirées privées et des clubs new-yorkais.
Le pianiste qui n'est pas avare de facéties quand il joue, se fait remarquer par le librettiste Andy Razaf avec lequel il composera trois comédies musicales jouées à Broadway, Keep Shufflin', Load of Coal et Hot Chocolates. En 1925, « Fats » Waller collabore avec le chef d'orchestre Clarence Williams, fait la rencontre de Louis Armstrong à Chicago et de retour à New York, se produit avec Fletcher Henderson et enregistre une série de pièces solo pour Victor, tels « Handful of Keys » et « Smashing Thirds ».
Tout en jouant avec un sens du swing et une dextérité incroyable, « Fats » Waller régale le public de ses histoires ; ses performances qui le distingue des autres pianistes attirent les foules qui le considère davantage comme un amuseur que le musicien surdoué qu'il est vraiment. En 1929, il accompagne brièvement les McKinney's Cotton Pickers, et à l'été 1932, se produit à Paris (en la cathédrale Notre-Dame, paraît-il). Il monte ensuite sa formation Fats Waller & His Rhythm et en 1934, il signe un contrat d'exclusivité pour la marque Victor.
Avec son groupe, « Fats » Waller se montre extrêmement prolifique. Ses enregistrements tournent sans cesse les uns après les autres sur les ondes des radios, ce qui accroit sa popularité dans les années trente. Les principaux succès de cette époque sont « Your Feet's Too Big », « The Joint Is Jumpin' » et « I'm Gonna Sit Right Down and Write Myself a Letter », ce qui donne un aperçu de son humour. « Fats » Waller apparaît également dans les films Hooray for Love! (Walter Lang) et King of Burlesque (Sydney Lanfield, 1935). Cette période californienne le voit également travailler avec l'orchestre du saxophoniste Les Hite au Cotton Club de Los Angeles
En 1938, il donne un coup de canif à son contrat en enregistrant des morceaux à l'orgue pour HMV à Londres. Il y retourne au printemps suivant pour graver sa plus longue pièce, la London Suite pour piano et percussion. La longue tournée prévue sur le continent est annulée en raison des prémices de la Seconde Guerre mondiale. De retour sur le sol américain, le pianiste monte un nouvel orchestre en 1941 et crée la revue Early to Bed programmée au Carnegie Hall de New York l'année suivante. Dans Stormy Weather d'Andew Stone (1943), on le voit conduire un big band comprenant Benny Carter et Slam Stewart (Lena Horne, Cab Calloway et Nat « King » Cole sont également au générique).
Boulimique de la vie (enregistrements, tournées, bouffe, boisson), Thomas « Fats » Waller est au fond de lui désabusé de n'être pas pris au sérieux et de ne pas être considéré comme un vrai jazzman. La tournée californienne de 1943 est la dernière. Tombé malade durant un concert au club Zanzibar Room à Hollywood, le pianiste meurt d'une pneumonie dans le train qui le ramène de Santa Fé à New York, en gare de Kansas City, le 15 décembre. Ce jour là, le jazz perd l'un de ses premiers maîtres et l'un de ses meilleurs compositeurs et performers, dont la carrière aurait été toute autre sans les barrières raciales de l'époque.
