Roy Thinnes est né à Chicago dans l'Illinois. Il s'installe à Hollywood dans le but de devenir acteur et a des petits rôles dans des soap opera comme The Psychiatrist, The Eleventh Hours, The Reporter. Remarqué pour sa ressemblance avec Paul Newman1, il est engagé par un producteur pour interpréter le rôle de Ben Quick dans The long hot summer (l'été long et chaud), une série diffusée sur ABC en 1965 et 1966. Ce rôle lui permet d'acquérir une certaine notoriété et il fera même la couverture de TV Guide (9-15 avril 1966). C'est en 1967 que Roy Thinnes obtient le rôle de l'architecte David Vincent dans la série The Invaders — Les Envahisseurs.