Efternavnet Thomsen (historisk set også hyppigt stavet Tomsen) er et klassisk nordisk patronymikon (et fadersnavn), der ordret betyder "søn af Thomas". Det tilgrundliggende mandsnavn Thomas rækker etymologisk tilbage til det aramæiske ord te'oma, som bærer den direkte og sproglige betydning "tvilling". I det Nye Testamente og den græske bibeloversættelse blev navnet oversat til Didymos (Thomas Didymos), hvilket cementerede navnet i den kristne kulturkreds via apostlen Thomas (ofte omtalt som "vantro Thomas"). Navnet vandt stor udbredelse i hele Europa i middelalderen på grund af apostlens eftermæle, hvilket dannede det sproglige grundlag for efternavnet i det skandinaviske sprogområde.
Navnets historie i de danske slægter er tæt forbundet med det gamle bondesamfunds levende patronymtradition, hvor efternavne skiftede ved hvert eneste generationsskifte; en søn af en fader ved navn Thomas fik således automatisk efternavnet Thomsen, mens en datter blev indskrevet som Thomasdatter. Fornavnet Thomas opnåede betydelig popularitet i Danmark efter kristendommens indførelse, og det var især udbredt i den jyske landbefolkning samt i købstæderne. For at indføre administrative og skattetekniske strukturer i samfundet greb statsmagten ind med Navnelovene i 1800-tallet. Dette skete indledningsvist med forordningen af 1828 og endeligt med den skelsættende navnelov af 1856 (ofte omtalt som 1853-loven på grund af sit forarbejde). Loven fastfrøs de eksisterende patronymer permanent, hvorved den slægtleds-specifikke navngivning ophørte, og Thomsen stivnede som et fast, permanent arveligt slægtsnavn i de efterfølgende generationer.
I det moderne Danmark er Thomsen et yderst traditionelt og meget almindeligt efternavn. Ifølge officielle opgørelser fra Danmarks Statistik bærer i alt 34.343 danskere efternavnet Thomsen. Det placerer Thomsen solidt i den absolutte top som landets 15. mest almindelige efternavn i hele befolkningen. Selvom forekomsten af de traditionelle -sen-efternavne over de seneste årtier har vist en svagt faldende tendens – i takt med at nutidige familier søger mod mere unikke mellemnavne eller beskyttede slægtsnavne – bevarer Thomsen sin status som en markant og urokkelig søjle i det danske navnelandskab.
Christian Jürgensen Thomsen (1788–1865) var en verdenskendt dansk arkæolog og museumsmand, som ydede et monumentalt videnskabeligt pionerarbejde, da han som leder af Oldnordisk Museum i København udviklede det revolutionerende treperiodesystem, som opdelte forhistorien i stenalder, bronzealder og jernalder.
Julius Thomsen (Hans Peter Jørgen Julius Thomsen, 1826–1909) var en prominent dansk kemiker og professor ved Københavns Universitet, som opnåede international berømmelse inden for termokemien for sine omfattende målinger af kemiske reaktioners varmeudvikling (Thomsen-Berthelot-princippet) samt for oprettelsen af Kryolitfabrikken Øresund.
Vilhelm Thomsen (Vilhelm Ludvig Peter Thomsen, 1842–1927) var en fremtrædende dansk sprogforsker, filolog og professor, der betragtes som en af lingvistikkes absolutte hovedskikkelser i Europa, og som sikrede sig en urokkelig plads i videnskabshistorien, da han i 1893 dechifrerede de gådefulde, oldtyrkiske Orkhon-indskrifter.
Navnet optræder hos 313 personer.