В 1535 — органист бенедиктинского монастыря в Дувре (графство Кент), в 1538—1540 — органист августинского аббатства в Уолтхеме (графство Эссекс), затем в кафедральном соборе в Кентербери, а с 1543 — при королевском дворе в Лондоне. В 1552 году женился, детей у них с женой не было.
Прижизненных портретов композитора не сохранилось, известные на нынешний день изображения созданы более чем через полтора века после его кончины.
Сочинял мессы и мотеты. Главным сочинением Таллиса считается Spem In Alium — мотет для 40 голосов на слова библейской Книги Юдифи, шедевр контрапункта, сочинение, не имевшее себе равных в тогдашней музыке и исполняющееся лучшими музыкальными коллективами по сей день. Одним из его учеников был Уильям Бёрд.