Thomas Morgenstern begann seine Weltcup-Karriere in der Saison 2002/03. Nachdem er im Dezember 2002 mit drei Siegen und einem zweiten Platz im Continentalcup aufzeigte, feierte er sein Weltcup-Debüt im Zuge der Vierschanzentournee 2002/03. Mit den Plätzen neun in Oberstdorf, 25 in Garmisch-Partenkirchen, neun in Innsbruck und sechs in Bischofshofen gelang Morgenstern der Sprung an die Weltspitze. Schlussendlich belegte er Rang sechs in der Tourneewertung. Nur fünf Tage nach Ende der Tournee gewann er im tschechischen Liberec sein erstes Weltcupspringen. Im Februar 2003 wurde Morgenstern dann in Sollefteå sowohl im Einzelspringen als auch mit der Mannschaft Juniorenweltmeister.
Diese Erfolge konnte er in der darauffolgenden Saison 2003/04 bestätigen. Zum Auftakt der Vierschanzentournee belegte er hinter dem späteren Tourneesieger Sigurd Pettersen Platz zwei. Mit drei weiteren Platzierungen unter den zehn Besten bei den Veranstaltungen in Garmisch-Partenkirchen, Innsbruck und Bischofshofen belegte Morgenstern am Ende Rang vier der Tourneewertung. Bei der im Februar in Stryn ausgetragenen Juniorenweltmeisterschaft gewann er hinter dem Polen Mateusz Rutkowski die Silbermedaille und mit dem Team die Goldmedaille. In der Weltcupgesamtwertung belegte Morgenstern den sechsten Rang.
Auch in der Saison 2004/05 zeigte Morgenstern sein Können. Bei der Vierschanzentournee belegte er Rang drei, holte bei der Weltmeisterschaft 2005 in Oberstdorf im Team Gold vom kleinen und großen Bakken und sicherte sich in der Weltcupwertung den siebten Rang.
Bei den Olympischen Spielen 2006 in Turin wurde Thomas Morgenstern Olympiasieger auf der Großschanze mit dem Vorsprung von nur 0,1 Punkten vor seinem Teamkollegen Andreas Kofler. Beide deklassierten die Konkurrenz aufgrund ihrer weiten Sprünge von 140 und 139,5 m im zweiten Durchgang. Der Gewinner der Bronzemedaille, Lars Bystøl, lag bereits 26,2 Punkte hinter dem Olympiasieger. Des Weiteren holte er zusammen mit seinen Teamkollegen Andreas Widhölzl, Martin Koch und Andreas Kofler die Goldmedaille im Teamwettbewerb auf der Großschanze. Zudem gewann Thomas Morgenstern in dieser Saison mit den Rängen fünf, zwei, eins und zwei und insgesamt 14,5 Punkten vor dem Schweizer Andreas Küttel die Wertung des Nordic Tournament.
Bei der Weltmeisterschaft 2007 in Sapporo gewann er gemeinsam mit Wolfgang Loitzl, Gregor Schlierenzauer und Andreas Kofler die Goldmedaille im Teamwettbewerb auf der Großschanze und die Bronzemedaille im Einzelbewerb auf der Normalschanze. Im Sommer 2007 konnte er mit vier Einzelsiegen die Gesamtwertung des Sommer Grand-Prix für sich entscheiden.
Die Saison 2007/08 verlief für den Kärntner sehr erfolgreich: Als erster Springer der Geschichte konnte er die ersten sechs Wettbewerbe einer Weltcupsaison für sich entscheiden. Des Weiteren ist Morgenstern neben Janne Ahonen, Matti Hautamäki und Gregor Schlierenzauer der einzige Skispringer, dem es gelang sechs Weltcupspringen in Folge zu gewinnen. Bereits sechs Springen vor Saisonende stand er als Sieger des Gesamtweltcups fest.
Im Oktober 2008 gab Morgenstern einen Skimarken-Wechsel bekannt und wechselte in der Saison 2008/09 von Fischer auf Atomic. Zu Beginn der Saison 2009/2010 wechselte er aber wieder zurück auf Fischer (da Atomic die Produktion von Sprungschiern einstellte). Am 22. Oktober 2008 wurde er zum österreichischen Sportler des Jahres gewählt.
Der Beginn der Saison verlief nicht nach Wunsch und Thomas Morgenstern erreichte keinen Stockerlplatz. Erst knapp vor der Weltmeisterschaft belegte er zweimal den 2. Rang hinter seinen Mannschaftskollegen Gregor Schlierenzauer bei den Springen in Whistler und Sapporo. Bei seinem erklärten Saisonhöhepunkt, der Weltmeisterschaft, landete er im zweiten Durchgang auf der Normalschanze bei 101,5 m. Damit war Morgenstern in diesem Durchgang zwar der Weiteste und auf dem Weg zur Goldmedaille, stürzte aber nach der Telemarklandung und wurde dadurch nur 8. Im Teambewerb konnte er sich mit seinen Kollegen Gregor Schlierenzauer, Wolfgang Loitzl und Martin Koch die Goldmedaille sichern. In der Saison Saison 2009/10 gewann Morgenstern nach fast zwei Jahren Durststrecke wieder ein Springen im Weltcup: Am 6. Januar 2010 konnte er das Abschlussspringen der 58. Vierschanzentournee in Bischofshofen für sich entscheiden. Nachdem er beim anschließenden Skifliegen am Kulm im Mittelfeld landete, bestätigte er seine gute Form mit einem Sieg in Sapporo. Bei den Olympischen Winterspielen 2010 in Vancouver erreichte er im Springen von der Normalschanze den 8. und von der Großschanze den 5. Platz. Gemeinsam mit Wolfgang Loitzl, Andreas Kofler und Gregor Schlierenzauer gewann er vor Deutschland das Teamspringen und holte sich damit seine dritte olympische Goldmedaille.
Auch die Saison Saison 2010/11 verlief außerordentlich erfolgreich. Zum Jahreswechsel 2010/11 gewann Morgenstern mit zwei Tagessiegen (in Oberstdorf und Innsbruck) erstmals die Vierschanzentournee. Kurz darauf gelang ihm am 9. Jänner 2011 in Harrachov erstmals der Sieg in einem Skifliegen. Am 13. Februar 2011 sicherte er sich mit einem fünften Platz am Vikersundbakken bereits 3 Bewerbe vor Saisonende seinen zweiten Gesamtweltcupsieg. Bei den Nordischen Skiweltmeisterschaften 2011 in Oslo wurde Morgenstern auf der Normalschanze sowohl im Einzel- als auch im Teambewerb Weltmeister. Es war seine erste Einzel-Goldmedaille bei Weltmeisterschaften. Damit ist er einer von nur vier Springern die sowohl Olympiagold, Gold bei Weltmeisterschaften, den Gesamtweltcup und die Vierschanzentournee gewonnen haben. Auch auf der Großschanze wurde er im Teambewerb Weltmeister, im Einzelbewerb musste er sich nur Gregor Schlierenzauer geschlagen geben und fügte seiner Medaillensammlung erstmals Silber hinzu.
Im Juni 2011 wurde bekannt, dass sich Thomas Morgenstern für die Entwicklungsarbeit des Skispringens in Rumänien einsetzt.
Seit 2015 ist Thomas Morgenstern begeisterter Helikopter-Sportler. Bereits in seiner ersten Saison erflog sich der Kärntner den Junioren-Weltmeistertitel in Polen und die Bronzemedaille bei den World Air Games in Dubai. 2017 startete der neu initiierte FAI Helikopter Weltcup bei dem Thomas Morgenstern in den Bewerben Fender und Slalom teilnimmt.
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