Thomasine Christina Gyllembourg (født Buntzen) blev født den 9. november 1773 i København. Her voksede hun op som en del af det københavnske borgerskab på Nyhavns solside med sin far, der var stadsmægler og dispachør (dvs. jurist, der registrerer ankomne skibe og varer samt opgør skader ifm. havari) og sine fire yngre søstre. Moren døde, da Thomasine var otte år gammel.
Thomasine fik en, for sin tid, meget moderne opdragelse. Faren var mild og kærlig, og hans døtre blev ikke blot oplært i at holde hus, men fik undervisning i kunst, dannelse og kultur, hvortil faren sørgede for de bedste undervisere. Blandt andet underviste C.E.F. Weyse hende og søstrene i musik, mens den berømte forfatter og filolog Peter A. Heiberg underviste dem i engelsk, tysk, fransk og italiensk. Da Heiberg friede til hende, blev hun beæret og sagde ja. I 1790 blev de gift – da var hun blot 16 år gammel. Året efter fik de sønnen Johan Ludvig Heiberg, der senere blev stor dramatiker. Thomasine beundrede sin mand, som skrev flammende politiske skrifter og åbnede hjemmet for revolutionære og intellektuelle, men deres ægteskab var lidenskabsløst og ulykkeligt for Thomasine. Da Peter Heiberg blev landsforvist for landsskadelig politisk aktivitet i 1800, så Thomasine sit snit til at søge skilsmisse, så hun kunne blive gift med den svenske baron Carl Fredrik Ehrensvärd, som hun var forelsket i. I datidens øjne var det forkasteligt, at Thomasine ønskede skilsmisse, og det blev en af tidens mest celebre skilsmisser, som samtidig betød, at sønnen blev fjernet og sat i pleje hos Peter Heibergs venner Kamma og Knud Lyne Rahbek.
I 1801 flyttede Thomasine og Carl Frederik ud på gården Ruhedal ved Sorø på Sjælland og forsøgte at leve som bønder, men Thomasine forfaldt til depressioner, og da gården brændte i 1806, vendte de tilbage til København og flyttede ind hos hendes familie. Da Carl Frederik døde i 1815, flyttede sønnen Johan Ludvig officielt hjem, og da han i 1831 blev gift med skuespillerinden Johanne Luise Pätges, skabte de tre et fælles hjem, der blev samlingssted for samtidens kulturelle og litterære elite. Svigerdatteren giver i øvrigt et kærligt blik på Thomasine Gyllembourg og skilsmissen fra Heiberg i bogen ”Peter Andreas Heiberg og Thomasine Gyllembourg. En beretning, støttet paa efterladte Breve” fra 1882.