Thomas Agerfeldt Olesen er uddannet cellist og komponist fra Det Jyske Musikkonservatorium. Kompositionsstudier hos Poul Ruders, Karl Aage Rasmussen, Olav Anton Thommesen, Henryk Gorecki og Bent Sørensen. I 1997 modtog han Statens Kunstfonds treårige arbejdslegat.

Han samarbejder med danske og udenlandske ensembler, bl.a. WDR Radiosinfonieorchester Stuttgart, Århus Symfoniorkester, Danmarks Radios Symfoniorkester, Den Jyske Opera, Helsinki Philharmonic, Duisburger Philharmoniker, Athelas Sinfonietta Copenhagen, Quartetto di Cremona, Das Henschel Quartett, Peter Lodahl, Ars Nova, Århus Sinfonietta, Johannes Moser, Rolf Hind, Nicolas Altstaedt, Oslo Sinfonietta, Copenhagen Phil og Den Danske Strygekvartet. Hans musik er blevet opført i Danmark, Tyskland, England, Frankrig, Italien, Grækenland, Norge, Sverige, Chile, Rusland, Finland og USA. Han er medstifter og indtil 2007 leder af SPOR festivalen i Århus. Modtager af Carl Nielsen Prisen 2013, Statens Kunstfonds Pris for Musikdramatisk Komposition 2013 for "The Picture of Dorian Gray", Haakon Børresens Legat 2013, Laurens Bogtman Fondens Hæderspris, Dansk Komponistforenings Legat 2013. I 2014 var Operaen "The Picture of Dorian Gray" nomineret til en Reumert for bedste opera. 2018 er “Weihnachstsoratorium” nomineret til Nordisk Råds Musikpris. I 2020 modtog han det livsvarige hæderslegat fra Statens Kunstfond.