陶思源的父母都是公务员，因母亲爱好文艺所以在陶思源很小的时候就对他进行严格的舞蹈训练。2002年，陶思源考入北京舞蹈学院附中歌舞班。2006年，考入中央戏剧学院表演系；在校期间，陶思源还出演了音乐剧《皇后的新衣》、《威尼斯商人》和话剧《雷雨》、《原野》；与此同时，他还获得了2006学年国家二等奖学金、2008学年国家励志奖学金。

2008年，出演个人首部电影《美梦成真》，在片中饰演男二号阿强，从而正式进入娱乐圈。

2010年，出演宋丹丹、高露、朱雨辰主演的家庭情感剧《家N次方》，在剧中饰演小蔡。

2011年，出演韩雪、黄少祺、王宇婕主演的都市情感剧《巅峰时代》，在剧中饰演才华横溢的律师江铭合。

2012年，与黄志忠、柯蓝、杨皓宇合作主演古装传奇剧《皮五传奇》，在片中饰演周小二；之后，与曹颖、姚刚、赵文浩合作主演古装神话剧《天仙配后传》，在剧中饰演天庭重臣雷公；同年，与夏望、唐小然、杨钥合作主演爱情电影《让爱绽放》，在片中饰演海归富二代林正阳。

2013年，与康磊、徐悦、邹睿合作主演都市情感剧《等你说爱我》，在剧中饰演外表英俊、处事稳重的男主角冉立轩；同年，与任重、曾泳醍、王阳合作主演青春励志剧《全城爱恋》，在剧中饰演机智幽默的雷磊；同年10月，与赵威霖、刘成瑞、龙雨合作主演时尚励志剧《青春无敌之美女时代》，在剧中饰演腹黑的反一号沈浩晨。

2014年3月，与王金轩、张羴、王曦合作主演爱情电影《一把钥匙N把锁》，在片中饰演男一号梅帅；同年5月，与李彩桦、贺刚、黑子合作主演民国情感剧《后妈的春天》，在剧中饰演方皓民与罗秋芳的小儿子方誌强，与贺刚饰演一对父子；同年，与刘晓庆、郑国霖、韩雪合作主演年代情感剧《我有一个梦》，在剧中饰演叶春儿同学魏新泽；同年10月，出演赵表扬执导的家庭情感剧《宝贝驾到》，在剧中饰演幽默风趣的男一号康帅。

2015年，与孙文婷、苗韵桐合作主演都市情感剧《闺蜜向前沖》，在剧中饰演心思缜密且自尊心很强的马仁杰；同年，与陈键锋、孙耀琦、康磊合作主演年代传奇剧《群英会》，在剧中饰演末代皇帝溥仪；同年，与陈浩民、宁静、覃文静合作主演古装传奇剧《乞丐皇帝与大脚皇后传奇》，在剧中饰演红巾军杰出将领、明朝开国名将常遇春。

2016年，与甘婷婷、姜潮、赵文瑄合作主演古装传奇剧《开封府传奇》，在剧中饰演扰乱后宫、挑起宫廷内斗的腹黑太监王德；同年3月，与张哲瀚、李一桐、米热合作主演民国情感剧《半妖倾城》，在剧中饰演霸道的军官沈天阳；同年4月，与潘粤明、吴樾、高圣远合作主演黑色幽默喜剧电影《冒牌卧底》，在片中饰演古惑仔香菜；同年4月12日，其主演的悬疑网路电影《长白山传说之捉仙记》全网上线，在片中与房飞霖有对手戏；同年，与杨洋、张思帆合作主演玄幻探险网路剧《月之子》，在剧中饰演生性率真且重情重义的富家公子阿伦；随后，出演杨晓波执导的电影《缘来如此》，在片中饰演男主角艾瑞克；同年9月，与李昕泽、高成龙、薛小冉合作主演古装穿越喜剧《那小子真diao》，在剧中饰演男主角欧阳华。

2017年3月，其主演的人物传记类电影《毛丰美》上映，而他在片中则饰演了男主角毛丰美的儿子、生性率真且重情重义的毛学新，与宋佳伦饰演一对父子

陶思源是一个可塑性非常强的演员，他不会刻意地去迎合喜剧做浮夸的表演，他对戏、对角色都有着自己独特的见解。他虽然在《冒牌卧底》中饰演的是一个小人物，但他却赋予了这个小人物令人无法忘却的个性和生命（导演唐旭评）。

陶思源是一个有着帅气外型的长腿欧巴，他拥有偶像的气质和实力的演技。陶思源身着休闲牛仔装，完美的衬托出其饱满的身材。陶思源的眼神充满魅力，他不仅乾净帅气，而且表情还雅致温暖，散发出迷人魅力。陶思源阳光十足，他举手投足间尽显暖男风範（新华网评）。

陶思源很平易近人，他的性格和蔼可亲。陶思源对演艺事业有种不懈的努力，他对表技的要求也是精益求精（腾讯评）。