Après des études d’arts dramatiques au sein de la Royal Scottish Academy of Music and Drama de Glasgow, il fait ses premiers pas devant la caméra en 2001 grâce à des participations aux films Rouge à lèvres et arme à feu et Buffalo Soldiers, aux côtés de Joaquin Phoenix et Anna Paquin, ainsi qu’au téléfilm The Life and Adventures of Nicholas Nickleby, adaptation du roman éponyme de Charles Dickens.

Il est à l’affiche de Star de père en fille en 2003 et, l’année suivante, de Vera Drake, qui lui permet de tourner sous la direction de Mike Leigh, le jeune comédien privilégie pourtant par la suite les projets télévisuels. Il apparaît dès lors dans de nombreuses séries anglaises, dont Messiah,Love Soup, No Angels, et Pulling.

Il rejoint en 2006 le feuilleton EastEnders, véritable succès au Royaume-Uni, à l’antenne depuis 1985, dans lequel il incarne durant plusieurs mois le docteur Oliver Cousins. En parallèle de cette prestation qui lui permet de se faire remarquer outre-Manche, Tom décroche le rôle récurrent de l’officier de police P.C. Haines, le collègue de Jeremy Hazeldine, incarné par Ralph Ineson, dans la comédie Les Flingueuses.

 En 2007 il est aperçu dans un épisode de Doctor Who ; dans la peau de l’apôtre Philippe dans la mini-série The Passion, face notamment à James Nesbitt et Paul Nicholls, ou encore dans Monday Monday (2009), qui suit les aventures des employés du siège social d’une chaîne de supermarchés.

L’acteur gallois s’illustre ensuite dans la sitcom Miranda, crée et portée par la comédienne Miranda Hart et dans laquelle il joue de manière régulière Gary Preston, un charmant cuisinier, ami de longue date de l’héroïne.

En 2010, il incarne le roi Cenred, ennemi juré d’Uther Pendragon, dans la troisième saison de la série Merlin, et, l’année suivante, le public le retrouve en professeur d’Histoire confronté au surnaturel dans The Fades. Le comédien poursuit alors dans cette voie fantastique avec The Secret of Crickley Hall, qui voit son personnage, Gabe Caleigh, et son épouse s’installer dans une maison qui semble être le théâtre d’événements étranges.

Également au casting en 2012 du show Gates, aux côtés de Joanna Page, Tom Ellis commence peu à peu à se faire un nom en dehors des frontières britanniques et, en 2013, obtient le rôle de Robin des Bois dans un épisode de la saison 2 de la série à succès, Once Upon A Time. Le rôle sera ensuite reprit par Sean Maguire.

Un an plus tard, le scénariste et réalisateur Jonathan Levine, à qui l’on doit, entre autres, 50/50 et Warm Bodies, fait appel à lui pour incarner le héros de Rush, sa première création pour la télévision, qui met en scène le docteur William Rush, un médecin singulier qui n’est rattaché à aucun hôpital, n’accepte que les règlements par cash, et ne s’interdit pas les soirées arrosées avec ses patients. Faute d’audience, cette première aventure de premier plan sur le petit écran américain est annulée après 1 saison à l’antenne.

Tom rebondit rapidement et en 2015, il décroche en effet le rôle-titre de la série Lucifer, dont le script l’a tout de suite enthousiasmé et dans lequel il s’épanouit depuis….