Après avoir suivi un entraînement de pilote de chasse à la base aérienne américaine de Sheppard (Texas), Thomas Reiter a été affecté à la 43e escadrille de chasseurs-bombardiers d’Oldenburg, où il a volé sur des Alphajets. À cette période, il participe à la mise au point d’un système informatisé de préparation des missions et devient chef des opérations de vol et commandant d’escadrille en second. Après avoir terminé sa formation de pilote d’essai de classe 2 au Centre d’essais en vol de Manching en 1990, il participe l’année suivante à plusieurs projets d’essais en vol. En 1992, il suit la formation de pilote d’essai de classe 1 à l’Empire Test Pilot School de Boscombe Down (Angleterre). Il a acquis plus de 2000 heures de vol sur plus de 15 types d’avions de combat différents.
En outre, Thomas Reiter a travaillé à l’Agence spatiale européenne (ESA), où il a fait partie de l’équipe chargée du développement d’un véhicule spatial habité (Hermès).
En 1992, il a intégré le Centre des astronautes européens (EAC) basé à Cologne. Après la formation de base, il a été sélectionné pour la mission Euromir 95. Il a commencé à s’entraîner pour cette mission en août 1993 à la Cité des Étoiles près de Moscou, où il s’est préparé aux fonctions d’ingénieur de bord sur la station spatiale MIR ainsi qu’à des activités extra-véhiculaires et d’entretien de la capsule Soyouz. Son entraînement pour le programme scientifique Euromir 95 a pour l’essentiel été réalisé sous la responsabilité de l’EAC.
En mars 1995, il a été nommé ingénieur de bord pour la mission Euromir 95, au cours de laquelle il a passé 179 jours dans l’espace (du 3 septembre 1995 au 29 février 1996), ce qui a alors constitué la plus longue mission spatiale habitée de l’ESA. Durant cette mission, il a réalisé deux sorties extra-véhiculaires (EVA).
D’octobre 1996 à juillet 1997, Thomas Reiter a suivi un entraînement pour effectuer les opérations de rendez-vous et d’amarrage avec la station spatiale, ainsi que pour ramener le Soyouz TM sur Terre. Il a reçu son brevet de « commandant pour le retour de Soyouz », qui le qualifie pour piloter une capsule Soyouz lors de son retour sur Terre avec trois passagers.
De septembre 1997 à mars 1999, Thomas Reiter a commandé l’escadrille de chasseurs-bombardiers Tornado de l’armée de l’air allemande.
De retour à l’ESA, il a secondé l’équipe en charge de l’ATV, travaillé sur le projet de bras télémanipulateur européen (ERA) et, de juin 1999 à mars 2000, repris son entraînement à la Cité des Étoiles, cette fois-ci pour travailler sur les composantes russes de la Station spatiale internationale. De septembre 2001 à septembre 2004, il a fait partie de l’équipe de projet qui préparait le module de recherche européen Columbus.