Ο Θανάσης Βέγγος γεννήθηκε στο Νέο Φάληρο, στις 29 Μαΐου του 1927. Ήταν μοναχοπαίδι του Βασίλη και της Ευδοκίας Βέγγου.
Ο πατέρας του ήταν υπάλληλος στην Εταιρεία Ηλεκτρισμού και ήρωας της αντίστασης. Μετά τον πόλεμο εκδιώχθηκε από τη δουλειά του, εξαιτίας των πολιτικών του φρονημάτων. Έτσι, ο Θανάσης άρχισε να εργάζεται από μικρός για να βοηθήσει την οικογένειά του. Για πολλά χρόνια ασχολήθηκε με την επεξεργασία δερμάτων, ενώ παράλληλα έκανε διάφορα μικροθελήματα στη γειτονιά του.
Κατά τα ταραγμένα χρόνια του εμφύλιου εξορίστηκε στη Μακρόνησο. Εκεί γνώρισε και τον άνθρωπο που έμελλε να αλλάξει τη ζωή του, τον Νίκο Κούνδουρο.
Το 1954 έκανε την πρώτη του εμφάνιση στον κινηματογράφο, στην ταινία του σκηνοθέτη «Μαγική Πόλις» και για τα επόμενα πέντε χρόνια έπαιξε μικρούς ρόλους σε ταινίες που άφησαν εποχή, δείχνοντας το μεγάλο και έμφυτο ταλέντο του.
Ο Θανάσης Βέγγος δεν σπούδασε υποκριτική. Το 1959 πήρε άδεια ασκήσεως επαγγέλματος ηθοποιού, όχι από Σχολή, αλλά ως εξαιρετικό ταλέντο, με εξετάσεις σε ειδική επιτροπή. Την ίδια χρονιά έκανε και το θεατρικό του ντεμπούτο, στην επιθεώρηση «Ομόνοια πλατς πλουτς», δίπλα στους Νίκο Ρίζο και Γιάννη Γκιωνάκη.
Την περίοδο αυτή εμφανίστηκε σε μερικές από τις πιο ιστορικές ταινίες του ελληνικού κινηματογράφου, όπως «Ο δράκος», «Διακοπές στην Αίγινα», «Μανταλένα», «Ο Ηλίας του 16ου», «Ποτέ την Κυριακή». Ο πρώτος του μεγάλος ρόλος είναι μαζί με τον Νίκο Σταυρίδη στην ταινία «Οι δοσατζήδες» του 1960.
Τα χρόνια που ακολούθησαν συνεργάστηκε, κυρίως, με τον σκηνοθέτη Πάνο Γλυκοφρύδη και ανέπτυξε τον τύπο του νευρικού, αεικίνητου ανθρώπου, που τον καθιέρωσε. Έγινε ιδιαίτερα αγαπητός στο ελληνικό κοινό, με ταινίες όπως «Ψηλά τα χέρια, Χίτλερ», «Μην είδατε τον Παναή», «Ζήτω η τρέλα», «Πολυτεχνίτης και ερημοσπίτης».
Το 1964 ίδρυσε τη δική του εταιρία παραγωγής ΘΒ – Ταινίες Γέλιου. Έως το 1969, συνεργαζόμενος με τον Πάνο Γλυκοφρύδη και τον Ερρίκο Θαλασσινό, αλλά και σκηνοθετώντας ο ίδιος κάποιες φορές, γύρισε τις καλύτερες κατά γενική ομολογία ταινίες του, όπως τις «Φανερός πράκτωρ 000», «Τρελός, παλαβός και Βέγγος», «Ποιος Θανάσης;», οι οποίες πρόσφεραν άφθονο γέλιο με τον σουρεαλισμό τους και τις τρελές ατάκες του πρωταγωνιστή τους. Ωστόσο, παρά την εμπορική και καλλιτεχνική τους επιτυχία, οι ταινίες αυτές οδηγούν την εταιρία του Βέγγου σε κλείσιμο και τον ίδιο σε οικονομική καταστροφή.
Το 1971 η στενή σχέση του με τον σκηνοθέτη Ντίνο Κατσουρίδη τον οδηγεί σε θρίαμβο στο Φεστιβάλ Θεσσαλονίκης, με την ταινία «Τι έκανες στον πόλεμο, Θανάση;». Κοινό και κριτική τον αποθεώνουν και αποσπά το βραβείο Α’ ανδρικού ρόλου. Έναν χρόνο μετά, ο ρόλος του στην ταινία «Θανάση, πάρε το όπλο σου!» του χαρίζει ένα ακόμη βραβείο Α’ ανδρικού ρόλου.
Τη δεκαετία του ’80 αποσύρεται από το σινεμά και κάνει λίγες βιντεοταινίες. Θα επιστρέψει στον κινηματογράφο το 1991, με την ταινία «Ήσυχες μέρες του Αυγούστου» του Παντελή Βούλγαρη. Η ερμηνεία του έχει πια διαφοροποιηθεί, είναι χαμηλών τόνων, αλλά μεγάλης εκφραστικότητας.
Το 1995 συμμετείχε στην ταινία «Το βλέμμα του Οδυσσέα», του Θόδωρου Αγγελόπουλου, ενώ κορυφαία στιγμή υπήρξε ο ρόλος του στο «Όλα είναι δρόμος» του 1998.
Τελευταία εμφάνισή του στη μεγάλη οθόνη ήταν στην ταινία του Παντελή Βούλγαρη «Ψυχή Βαθιά» (2009). Το 1997 εμφανίστηκε επίσης στην Επίδαυρο, στο ρόλο του Δικαιόπολι στους «Αχαρνής» και το 2001 στην «Ειρήνη» του Αριστοφάνη, με μεγάλη επιτυχία.
Στην τηλεόραση, ο Θανάσης Βέγγος εμφανίστηκε στις σειρές: Βεγγαλικά (ΕΡΤ, 1988), Αστυνόμος Θανάσης Παπαθανάσης (ΑΝΤ1, 1990), Περί ανέμων και υδάτων (Mega, 2002), Έρωτας, όπως έρημος (ΝΕΤ, 2003), Καθρέφτη, καθρεφτάκι μου (ΑΝΤ1, 2006) και Η Θεσσαλονίκη της νοσταλγίας μας (ΕΤ3, 2009).
Ο Θανάσης Βέγγος ήταν παντρεμένος με την Ασημίνα Βέγγου, με την οποία απέκτησε δυο γιους κι έζησε μαζί της μέχρι το τέλος της ζωής του, στις 3 Μαΐου του 2011.
