汤晓丹生于福建，是客家人，从小远渡重洋去到南洋，童年时侨居印度尼西亚。1920年，跟随父亲回到中国。1928年，在厦门集美农林专科学校学习时，因参加学生运动而被开除学籍。
1931年，在天一影片公司担任布景师。1933年，执导个人首部电影《
白金龙》，从而开启了他的导演生涯；同年，执导剧情电影《飘零》；之后， 执导剧情电影《飞絮》；此外，还执导了由
胡姗、余光合作主演的剧情电影《
一个女明星》。
1937年，由其执导的剧情电影《花开富贵》上映；同年，执导剧情电影《并蒂莲》。1938年，执导由
白燕、李清、
卢敦联合主演的战争电影《
上海火线后》；同年，与多位导演联合执导剧情电影《
钱作怪》，影片通过讲述人们不择手段攫取财富的故事。
1940年，由其执导的战争电影《
小广东》上映。1941年，执导由张瑛、
冯峰、
王莺联袂主演的剧情电影《
民族的吼声》。1945年，执导剧情电影《敢死警备队》，该片由王豪、康健、王珏联合主演。
1947年，抗日战争胜利后汤晓丹回到上海，执导了揭露国民党腐败统治的剧情电影《天堂春梦》；同年，执导剧情电影《甦凤记》。1949年，由其执导的剧情电影《万象回春》上映。
1949年，建国后加入上海电影制片厂；同年，由其执导的剧情电影《
失去的爱情》上映。1951年，执导剧情电影《
胜利重逢》，该片根据黎阳的小说《英雄回家》改编。1952年，与
成荫联合执导战争电影《
南征北战》，该片由
陈戈、
冯喆搭档主演。
1954年，执导由
孙道临、
李玲君共同主演的战争电影《
渡江侦察记》，该片获得文化部优秀影片一等奖。1955年，与
王滨联合执导剧情电影《
怒海轻骑》。1956年，执导由
温锡莹、张园、
卫禹平联合主演的剧情电影《
沙漠里的战斗》。1957年，执导由孙道临、刘非合作主演的剧情电影《
不夜城》。
1959年，由其执导的剧情电影《
钢铁世家》上映。1963年，执导由
孟庆良、
赵矛联袂主演的剧情电影《
水手长的故事》，该片根据高源的同名小说改编；5月1日，由其执导的剧情电影《
红日》上映，该片由
张伐、高博、
中叔皇联合主演。1976年，执导剧情电影《
难忘的战斗》，该片根据孙景瑞小说《粮食采购队》改编。
1981年，执导由
孔祥玉、
高长利、
刘怀正联合主演的革命战争电影《
南昌起义》，该片改编自话剧《八一风暴》，讲述了1927年，周恩来、朱德、贺龙等组织发动南昌起义的历史故事。
1983年，执导人物传记电影《
廖仲恺》，他凭借该片获得第5届金鸡奖最佳导演奖。1988年，由其执导的剧情电影《
荒雪》上映。2004年9月，获得第24届中国电影金鸡奖终身成就奖。
1944年，汤晓丹与
蓝为洁认识。后来，两人结婚。1947年，蓝为洁生下
汤沐黎。1949年，蓝为洁生下
汤沐海。2012年1月21日，汤晓丹在上海辞世；为了追思悼念汤晓丹，特此建立网上纪念馆。2014年，蓝为洁逝世。
汤晓丹素以拍摄军事题材影片见长，他尤其擅长刻画战争环境中的人情与人性，以人的情感和人的心灵柔化了战争的残酷和坚硬（新民晚报评）。所谓有识见则自成高格，汤晓丹的电影不走“中流击水，浪遏飞舟”一路，其艺术创作一向中规中矩，从未偏离主航道。他始终追随电影创作的时代形势（社会主流精神）与时代形式（电影艺术创新）。与此同时，他坚守民族大义的精神立场，坚持现实主义的电影美学风格，其作品经历住了历史与市场的考验，形成独属他个人的艺术气质。从叙事结构层面看，汤晓丹军事片的创作模式或可归纳为如下几点 ：其一，以现实主义美学原则为基础，高度结合历史纪实性、艺术形式与类型化创新。其二，宏观上既不偏离特定时代的主流政治路线，微观上又能最大限度地涵括影片人物的特殊性与多元性。其三，影片对战争场面的调度，既能完整再现战场残酷真实的一面，又绝不落入单向度的暴力展示 ；既能表现战况的艰苦，又能传达乐观坚强的斗争意志。其四，汤晓丹的军事题材影片叙事，往往依照从小挫败到大反击的逻辑，最后以弱胜强，反败为胜（《当代电影》评）。