W czasie II wojny światowej działał w ruchu oporu, przez kilka miesięcy był więziony[1]. Ukończył studia prawnicze, kształcił się na uczelniach w Montpellier, Lozannie i Paryżu, następnie od 1955 praktykował w Luksemburgu. Dołączył do liberalnej Partii Demokratycznej, pełnił funkcję jej przewodniczącego w latach 1962–1969 i ponownie od 1971 do 1980[2].
Od 1959 wybierany na posła do Izby Deputowanych. Od 1959 do 1969 wchodził w skład Parlamentu Europejskiego. Do PE został wybrany również w pierwszych bezpośrednich wyborach w 1979, składając mandat następnego dnia po rozpoczęciu kadencji[3].
W latach 1961–1963 był członkiem zarządu miasta w Luksemburgu. W latach 1969–1974 był ministrem spraw zagranicznych i handlu zagranicznego, ministrem służb publicznych oraz ministrem wychowania fizycznego i sportu. W 1974 stanął na czele nowego rządu, którym kierował do 1979. Następnie przez rok pełnił funkcję wicepremiera. Jednocześnie zajmował stanowiska ministra spraw zagranicznych i handlu zagranicznego (1974–1980, od 1979 również kooperacji), ministra wychowania fizycznego i sportu (1974–1977), ministra gospodarki i klasy średniej (1977–1980), ministra sprawiedliwości (1979–1980). Był też przewodniczącym Międzynarodówki Liberalnej (1970–1982)[1].
W 1980 Gaston Thorn został wybrany na przewodniczącego Komisji Europejskiej (wówczas funkcjonującej jako Komisja Wspólnot Europejskich), zastępując na tym stanowisku Roya Jenkinsa. Stanowisko objął w styczniu 1981 i zajmował do stycznia 1985.
Po odejściu z działalności politycznej był przewodniczącym rady dyrektorów banku Banque internationale à Luxembourg, a także prezesem największej luksemburskiej kompanii mediowej. Działał w Ruchu Europejskim oraz Komisji Trójstronnej[1].
Jego żoną była dziennikarka Liliane Thorn-Petit, miał syna Alaina[1].