世界上第一個分離出沙眼衣原體的人,生產了中國自己的青黴素、狂犬疫苗,白喉疫苗,牛痘疫苗,卡介苗和丙種球蛋白和世界首支班疹傷寒疫苗。 1914年入湘雅醫學專門學校,1921年畢業,獲湘雅醫學院醫學博士學位。任教於北京協和醫院
1926 年被派往美國哈佛大學醫學院從事細菌學研究。
1929年回國後,任上海中央大學醫學院副教授、教授、細菌學系主任。
1932年後兼任上海雷氏德醫學研究院細菌學系主任。
1935年任英國國立醫學研究院研究員。
1937年後,任上海醫學院細菌學教授,中央防疫實驗處生物製品技正、處長,創建昆明衛生防疫處。
1947年在世界微生物學會第四次大會上當選為常委。中華人民共和國成立後,歷任衛生部北京生物製品研究所所長,中國科學院菌種保藏委員會研究員兼主任。
1957年被聘為中國科學院生物學部委員。是中華醫學會理事,中國微生物學會理事長,全國生物製品委員會主任委員。畢生從事病毒的研究。
1958年9月,在反右運動中湯非凡被打為右派,湯非凡萬念俱灰。1958年9月30日晨,湯飛凡自盡。
1979年6月為湯飛凡舉行追悼會,給予湯;飛凡高度評價。
30年代和魏曦共同對支原體進行研究,否定了沙眼細菌病因說;組織研製出中國第一批5萬單位青黴素,創建青黴素生產車間, 為預防天花、黃熱病、鼠疫等疫病做了大量工作;
50年代和張曉樓等人成功地分離出沙眼病毒(沙眼衣原體),被稱為世界上第一個分離出沙眼病毒的人,沙眼病毒被稱為「湯氏病毒」,1981年獲國際沙眼防治組織追贈頒發的「沙眼金質獎章」。「沙眼衣原體分離培養」獲1982年國家科技進步二等獎。撰有《沙眼病原學研究:接種雞胚,分離病毒》等論文30多篇。