Эллис родился и вырос в Кардиффе. Его отец Крис Эллис, дядя Роберт Эллис и сестра являются служителями церкви. Он окончил Королевскую Театральную Академию города Глазго. Со студенческих времён дружит с Джеймсом Макэвоем.[2].
Кинокарьера Тома Эллиса началась в 1985 году, когда он сыграл небольшую роль в телесериале «Жители Ист-Энда». После этого Эллису стали приходить предложения от режиссёров и студий. Через двадцать лет, после этой роли, в 2006 году, он появился в этом же сериале в роли доктора Оливера.
Он сыграл Гэри Престона в популярном телешоу «Миранда», транслировавшегося на BBC с 9 ноября 2009 года по 1 января 2015 года. Также Эллис сыграл роль Джастина в сериале «Нет ангелов» и роль Томаса Миллигана в сериале «Доктор Кто» телеканала BBC One.
В 2009 году Эллис снялся в комедийной драме «Понедельник, понедельник» на телеканале ITV. Он также получил роль инспектора Блэнда в фильме о Пуаро по произведению Агаты Кристи. Эллис был звездой американского сетевого сериала «Раш», в котором он сыграл голливудского врача.
В феврале 2015 года было объявлено, что Эллис сыграет роль Люцифера Морнингстара в фантастическом телесериале «Люцифер» по мотивам одноимённого комикса DC Comics. Премьера сериала состоялась 25 января 2016 года.
Эллис женился на актрисе Тэмзин Аутуэйт в 2006 году. 25 июня 2008 года Аутуэйт родила первого общего ребёнка — дочь Флоренс Элси Эллис. 2 августа 2012 года родилась вторая дочь пары, которую назвали Марни Мэй Эллис. 29 августа 2013 года пара объявила о расставании. Аутуэйт подала на развод с мужем, ссылаясь на его неверность. У Эллиса есть дочь Нора Эллис от предыдущих отношений с Эстель Морган.[3][4][5]. В 2014 году процесс развода был завершён. С 2015 года встречается с американской актрисой и сценаристом Меган Оппенхаймер[6]. 1 июня 2019 года они поженились.