Natif de Los Angeles le 19 octobre 1984, Stephen Bruner grandit entre des parents mélomanes et commence la pratique de la basse dès l'enfance, tant est si bien qu'à l'âge de 15 ans, il obtient un petit succès avec son groupe No Curfew. L'année suivante, grâce à son frère Ronald Jr., il remplace Josh Paul au sein du groupe de metal Suicidal Tendencies.
Recruté pour de nombreuses séances en studio, le bassiste participe notamment à l'enregistrement de l'album d'Erykha Badu, New Amerykah (2008), et celui de Flying Lotus, Cosmogramma (2010). Une complicité s'installe avec Steven Ellison, à l'origine du projet de rap expérimental Flying Lotus. Entre deux albums de jazz fusion en solo, The Age of the Apocalypse (2011) et Apocalypse (2013), Thundercat produit ceux de son ami et fondateur du label Brainfeeder qui l'héberge, Until the Quiet Comes (2012) et You're Dead! (2014).
La même année, il joint ses forces au triple album The Epic du saxophoniste Kamasi Washington et tient un rôle de choix dans l'élaboration de To Pimp a Butterfly, l'oeuvre phare de Kendrick Lamar encensée par la critique. Sa participation au titre « These Walls » lui vaut de remporter un Grammy Award dans la catégorie collaboration Rap et R&B, après la sortie en 2015 du mini-album The Beyond/Where The Giants Roams. L'album Drunk, qui suit en février 2017, comprend un trio avec Michael McDonald et Kenny Loggins sur « Show You the Way », en sus de collaborations avec Kendrick Lamar, Pharrell Williams et Wiz Khalifa.
