Thomas Lemar signe à l'AS Monaco en 2015. Petit à petit, le numéro 27 va s’imposer et devenir un élément clé de l’équipe de Leonardo Jardim. L’Europe, il va totalement s’y révéler lors de l’exercice 2016/2017 qui conduira l’AS Monaco jusqu’aux demi-finales de la Ligue des Champions. Durant cette campagne, le gaucher se montre décisif face à Tottenham en poules (deux buts). Puis en phase finale, lorsqu’il dépose le coup-franc sur la tête de Tiemoué Bakayoko face à Manchester City ou lors de la double confrontation face au Borussia Dortmund (3 passes D). En championnat, il dispute 34 matchs, inscrit neuf buts et délivre dix offrandes, ce qui lui permet de terminer deuxième du classement des meilleurs passeurs de Ligue 1 lors de cette saison 2016/2017 ponctuée par le huitième titre de champion de France de l’AS Monaco. Des performances qui lui permettent d'être convoqué pour la première fois par Didier Deschamps le 10 novembre 2016. En 127 matchs sous la Diagonale, Thomas Lemar aura inscrit 22 buts et délivré 33 passes décisives. Le 12 juin 2018, l'AS Monaco et l'Atlético Madrid trouvent un accord pour le transfert du milieu monégasque. Pour son premier match avec les Colchoneros, il est titulaire face au Real Madrid en Supercoupe d'Europe. Une première partie victorieuse puisque son nouveau club s'impose 4 buts à 2. Il compte à ce jour 186 matchs avec le club de la capitale espagnole.