Tres de los medio hermanos menores de Thomas, John, Giles y Robert, también se hicieron músicos eminentes, pero ninguno logró realmente la fama de Thomas. Alrededor de 1594, pero posiblemente ya en 1586, Thomas y su familia se habían movido a Gloucester, donde su padre estaba empleado como canon menor en la catedral. Thomas estudió casi ciertamente bajo William Byrd durante un tiempo, pues una de sus canciones lleva la inscripción: “A mi antiguo, y muy reverenciado maestro, William Byrd”, y esto puede haber sido en ese periodo de su carrera, puesto que Byrd arrendó una propiedad en Longney, cerca de Gloucester. Aunque falta la prueba documental, también es posible que Byrd haya influido para conseguir al joven Thomas un lugar como corista en la Capilla Real.  En todo caso, a todos los antiguos coristas de la Capilla Real se les exigía ir a la universidad, y Tomkins se asoció a Magdalen College, Oxford en 1607.

Pero ya en 1596 había sido nombrado organista y maestro de los coristas en la Catedral de Worcester. El año siguiente se casó con  Alice Patrick, una viuda nueve años mayor que él,  cuyo marido Nathaniel Patrick, que murió en 1595, había sido predecesor de Tomkins en Worcester. El único hijo de Thomas, Nathaniel, nació en Worcester en 1599, donde pasó  el resto de su vida y llegó a ser un músico respetado.

Tomkins indudablemente tuvo relación con Thomas Morley, también alumno de Byrd, pues su copia firmada de la publicación de Morley "Plaine and Easie Introduction to Practicall Musicke" (1597) se ha conservado junto con muchos annotaciones de Thomas; y en 1601 Morley incluyó uno de los madrigales de Tomkins en su  importante colección "The Triumphs of Oriana".

Retrato de Thomas Tomkins por Sir Joshua Reynolds, 1789

En 1612 Tomkins vigiló la construcción en la catedral de Worcester de un nuevo órgano magnífico de Thomas Dallam, el más destacado constructor de órganos de la época. Continuó escribiendo vers anthems, y su colección de 28 madrigales, las Canciones de 3, 4,  5 y 6 partes se publicaron finalmente en 1622 con un poema dedicatorio de su medio hermano John Tomkins, entonces organista del King's College, Cambridge, con quien Thomas mantuvo una relación íntima y afectuosa.

Probablemente hacia 1603 Thomas fue nombrado Gentleman Extraordinary de la Capilla Real. Éste era un cargo honorario, pero en 1621 llegó a ser Gentleman Ordinary y organista bajo su amigo y organista principàl, Orlando Gibbons. Los deberes conectados con este puesto incluían viajes regulares entre Worcester y Londres, que Tomkins realizó aproximadamente hasta 1639.

A la muerte de James I en 1625, se le solicitó a Tomkins, con otros caballeros de la Capilla Real, preocuparse de la música para el entierro de James I y para la coronación de Charles I. Estas tareas monumentales fueron demasiado para Orlando Gibbons, que murió de un golpe en Canterbury, donde se suponía que Charles se encontraría con su futura novia, Henrietta María de Francia, poniendo aun una mayor responsabilidad sobre Tomkins. Debido a la plaga, la coronación se pospuso por suerte hasta febrero de 1626, dando a Tomkins tiempo para componer la mayoría de los ocho himnos (anthems) cantados en la ceremonia.

En 1628 Tomkins fue nombrado "Composer of [the King's] Music in ordinary" con un sueldo anual de £40, sucediendo a Alfonso Ferrabosco el joven, que murió en marzo de ese año. Pero este prestigioso puesto, el más alto honor disponible para un músico inglés, fue rápidamente revocado sobre la base de que había sido prometido al hijo de Ferrabosco. Este lamentable trato fue sólo el primero de una serie de adversidades que sufrió el compositor durante los siguientes catorce años de su vida. Continuó sin embargo realizando sus deberes duales en Worcester y Londres hasta 1639.

Alice, la fiel esposa  de Tomkins, murió en 1642, el año en que estalló la guerra civil. Worcester fue uno de los primeros damnificados: la catedral fue profanada, y el órgano de Tomkins gravemente dañado por los Parlamentaristas. El año siguiente la casa de Tomkins cerca de la catedral sufrió el impacto directo de un cañonazo que lo dejó inhabitable por un largo periodo, destruyendo la mayor parte de sus bienes y probablemente varios de sus manuscritos musicales. Aproximadamente en esta época Tomkins se casó por segunda vez, con Martha Browne, viuda de un empleado laico catedralicio de Worcester .

El largo conflicto y un sitio en 1646 causaron daño incalculable a la ciudad. Con el coro disuelto y la catedral cerrada, Tomkins dedicó su genio a la composición de algunas de sus más bellas obras para teclado y música instrumental; en 1647 escribió un tombeau tardío o tributo a Thomas Wentworth, Primer Conde de Strafford, y además otro a la memoria de William Laud, Arzobispo de Canterbury, ambos decapitados en 1641 y los dos admirados por Tomkins. Charles I fue ejecutado en 1649, y pocos días después Tomkins, siempre realista, compuso su extraordinaria "Sad Pavan for these distracted times” (Pavana triste para estos tiempos de locura). Su segunda esposa Martha murió aproximadamente en 1653, y privado de su vivir, Tomkins, con 81 años, estaba en serias dificultades financieras. En 1654 su hijo Nathaniel se casó con Isabella Folliott, una viuda adinerada, y Thomas fue a vivir con ellos en Martin Hussingtree, a unas cuatro millas de Worcester. Expresó su gratitud componiendo su "Galliard", en honor de Lady Folliot. Dos años después murió y fue enterrado en el cementerio de Martin Hussingtree.

Tomkins escribió madrigales, música de teclado, instrumental, himnos y música litúrgica. Estilísticamente fue sumamente conservador, incluso anacrónico: parece haber ignorado completamente la creciente práctica Barroca a su alrededor, con sus modismos inspirados en Italia y también evitó escribir en la mayoría de las formas populares de la época, como canciones para laúd o ayres. Su lenguaje polifónico, incluso en la cuarta década del siglo XVII, era francamente el del Renacimiento. Algunos de sus madrigales son sumamente expresivos, con pinturas de texto y cromaticismo digno de los madrigalistas italianos como Marenzio o Luzzaschi.

También fue un compositor prolífico de himnos en verso, escribiendo más que cualquier otro compositor inglés del siglo XVII, salvo William Child. . Afortunadamente para la supervivencia de su música, su hijo Nathaniel editó la mayor parte de ella y publicó una gran colección suya (titulada "Musica Deo sacra et ecclesiae Anglicanae"; o "Music dedicated to the Honor and Service of God, and to the Use of Cathedral and other Churches of England")  en 1668, después de su muerte; de otro modo la mayor parte se habría perdido durante la Guerra Civil.

Además de ser uno de los miembros prominentes de la escuela madrigalista inglesa, fue un experimentado compositor para teclado y  música instrumental, y el último miembro de la escuela virginalista inglesa.