Nach zweijährigem Aufenthalt in Leipzig studierte er an der Großherzoglich-Sächsischen Kunstschule in Weimar unter Ferdinand Pauwels, an der er 1866 zum Professor berufen wurde.
Im Kriege 1870/71 wurde Thumann als Zeichner im Hauptquartier der III. Armee eingesetzt. Nachdem er seit 1872 als Lehrer in Dresden tätig gewesen war, wurde er 1875 als Professor an die Kunstakademie in Berlin berufen; diese Stellung legte er 1887 nieder. Er bereiste 1862 Ungarn und Siebenbürgen, 1865 Italien, später Frankreich, Belgien und England. Zwischen 1887 und 1891 lebte er in Italien und übernahm 1892 das Meisteratelier von Professor Julius Schrader.
Seine Haupttätigkeit fand Thumann in der Illustration (z. B. Auerbachs Kalender, Johann Wolfgang von Goethes Dichtung und Wahrheit, Alfred Tennysons Enoch Arden, Adelbert von Chamissos Frauenliebe und -leben, desselben Lebenslieder und -Bilder, Robert Hamerlings Amor und Psyche, Heinrich Heines Buch der Lieder).
Die Eleganz der Formengebung, der sinnvolle Ernst und die Anmut der Figuren gewannen diesen Illustrationen großen Beifall. Doch verlor sich Thumann schließlich in ein süßliches und oberflächliches Formenspiel, welches den Eindruck seiner ersten Schöpfungen abschwächte.
1860 heiratete Thumann eine Frau aus englischem Adel. Eine Tochter Thumanns heiratete einen Bruder des englischen Dichters Algernon Swinburne..