Родился примерно в 1548 году. С десяти- до восемнадцатилетнего возраста пел в хоре кафедрального собора Авилы. В 1567 году был послан в римскую иезуитскую коллегию Collegium Germanicum изучать богословие. Был кантором и органистом в церкви Санта-Мария де Монсеррат. Есть предположения, что он занимался в Римской Семинарии у Палестрины, в 1571 году он занял вслед за Палестриной и, как говорят некоторые источники, по его рекомендации место руководителя семинарской капеллы. В 1572 году опубликовал в Венеции первую книгу своих мотетов. Принял сан в 1575 году, став священником церкви Санто Томас де лос Инглесес. В 1576 году опубликовал второй сборник своих музыкальных сочинений. В 1578 году вошёл в конфедерацию ораторианцев.
Вернулся в Испанию в 1586 году, был назначен личным капелланом императрицы Марии Испанской, вдовы императора Максимилиана II, сестры короля Филиппа II, и органистом обители босоногих в Мадриде, где Мария в затворничестве жила и которой покровительствовала. В 1592 году вернулся в Рим, присутствовал на погребении Палестрины, в 1595 году окончательно возвратился в Испанию. Несколько раз отказывался от предлагаемых ему почетных постов в кафедральных соборах страны (Севилья, Сарагоса), что принято считать свидетельством его мистических устремлений к отрешенности от мира. На смерть императрицы (1603) написал свое самое большое сочинение — реквием Officium Defunctorum, sex vocibus, in obitu et obsequiis sacrae imperatricis. После кончины покровительницы Виктория сохранил за собой должность простого органиста и умер в 1611 году почти безвестным.
Писал только церковную музыку. Композитору принадлежат 20 месс (из которых «O quam gloriosum» написана в технике пародии), 46 мотетов, 35 гимнов, псалмы и другие духовные сочинения. Он первым в Испании использовал аккомпанемент (орган, струнные или духовые) в церковной музыке, так же как первым стал писать — на манер композиторов венецианской школы — многохорные сочинения для нескольких разделенных певческих групп.
Уже при жизни был известен не только в Италии и Испании, но и в Латинской Америке, его сочинения хорошо, по тем временам, расходились: так сборник, вышедший в 1600 году, сверх обычного тиража в 200 экземпляров, был напечатан в количестве ещё ста. В XX веке исследователем и активным пропагандистом творчества Виктории был Фелипе Педрель, наследие Виктории высоко ценили Мануэль де Фалья, Игорь Стравинский. Сегодня его сочинения широко исполняются и записываются лучшими исполнителями и самыми престижными фирмами мира. Именем композитора названа музыкальная консерватория в его родном городе. В 1996 году учреждена ибероамериканская музыкальная премия имени Томаса Луиса де Виктория ().
Четырехсотлетие кончины композитора (2011) широко отмечается музыкальными коллективами мира.