Сын литовского поэта Антанаса Венцловы. Во время Великой Отечественной войны, когда отец, занимавший высокие советские должности, пребывал в эвакуации, жил у родственников в Вильнюсе и Каунасе. С 1946 года жил в Вильнюсе.
В 1978 году писал:
Окончил Вильнюсский университет (специальность литовский язык и литература; 1960).
Один из основателей Литовской Хельсинкской группы (основана 1 декабря 1976 года).
В 1977 году выслан из Советского Союза. В эмиграции поддерживал близкие отношения с Иосифом Бродским и Чеславом Милошем. Профессор славянских языков и литератур в Йельском университете (США).
Дебютировал в печати научно-популярной книгой «Ракеты, планеты и мы» („Raketos, planetos ir mes“, 1962). Первая книга стихов «Знак речи» („Kalbos ?enklas“, 1972).
Переводил на литовский язык стихотворения Анны Ахматовой, Бориса Пастернака, Иосифа Бродского, Осипа Мандельштама, Хлебникова, Т. С. Элиота, Шарля Бодлера, Оскара Милоша, Лорки, Рильке, Одена, Паунда, Превера, Кароля Войтылы, Збигнева Херберта, Чеслава Милоша, Виславы Шимборской и других поэтов.
Издал несколько книг стихотворений, сборников публицистики, литературно-критических и историко-литературных работ, сборник своих переводов, также путеводитель по Вильнюсу (переведён на ряд европейских языков), книгу «Имена Вильнюса» („Vilniaus vardai“; сам автор характеризует её как своего рода личную энциклопедию вильнюсцев от Миндовга и Гедимина до Милоша; включает 564 персоналии). В 2009 году вышел английский вариант этой книги („Vilnius. A Guide to Its Names and People“).
Стихи Томаса Венцловы переводились на английский, венгерский, немецкий, польский, португальский, русский, словенский, чешский, шведский и другие языки. На русский язык поэзия Венцловы публиковалась в переводах Виталия Асовского, Иосифа Бродского, Владимира Гандельсмана, Натальи Горбаневской, Георгия Ефремова, Виктора Куллэ, Александра Кушнера, Константина Русанова, Павла Шкарина и других поэтов и переводчиков.
Основные работы посвящены отдельным аспектам стиховедения, истории русской литературы, в особенности Серебряного века, а также современной литовской литературе и её прошлому, польской литературе. Среди работ, посвящённых польской литературе, выделяется монография об Александре Вате „Aleksander Wat: Life and Art of an Iconoclast“ (1996; польский перевод „Aleksander Wat. Obrazoburca“, Краков, 1997).
За творческие заслуги награждён крестом Командора ордена Великого князя литовского Гядиминаса (1995), крестом офицера Ордена Креста Витиса (1999), Национальной премией в области культуры и искусства (2000), статуэткой Святого Христофора (награда города Вильнюса; 2002), Ятвяжской премией Поэтической осени в Друскининкай (2005).
Доктор honoris causa Университета Марии Кюри-Склодовской в Люблине (1991), Ягеллонского университета в Кракове (2000), Университета Николая Коперника в Торуни (2005), Университета Витовта Великого в Каунасе (2010; решение о присвоении почётного звания за заслуги перед наукой, культурой и университетом было принято на заседании Сената университета 24 февраля, церемония вручения регалий состоялась 1 июня 2010 года). 8 января 2007 в Вильнюсе ему была вручена медаль в память Венгерской революции 1956 года за важный интеллектуальный вклад в современное понимание истинного значения венгерского антисоветского восстания. В октябре 2008 года получил в Санкт-Петербурге международную премию за развитие и укрепление гуманитарных связей в странах Балтийского региона «Балтийская звезда» (диплом, нагрудный знак и денежная премия), учреждённую в 2004 году Министерством культуры и массовых коммуникаций Российской Федерации, Союзом театральных деятелей Российской Федерации, Комитетом по культуре Санкт-Петербурга, Всемирным клубом петербуржцев и фондом «Балтийский международный фестивальный центр», которой были отмечены также Даниил Гранин, Раймонд Паулс, Ингмар Бергман
В Вильнюсе по адресу улица Паменкальнё (Pam?nkalnio g. 34) в бывшей квартире писателя Антанаса Венцловы, где вырос его сын Томас Венцлова и бывали его друзья Кама Гинкас, Леонардас Гутаускас, Рамунас Катилюс, Юозас Тумялис, Николай Котрелёв, Иосиф Бродский, действует мемориальный Дом-музей семьи Венцловы.