Джонс родился в Сан-Саба, штат Техас, в семье Люсиль Мари (в девичестве Скотт), офицера полиции, школьной учительницы, и владелицы салона красоты, и Клайда С. Джонса, работника нефтяных месторождений. У Джонса есть индейская кровь от бабушки.
Окончив школу Св. Марка в Техасе, он поступил в Гарвардский университет. В 1969 году Джонс с отличием окончил университет, получив степень бакалавра искусств в области английского языка.
Джонс переезжает в Нью-Йорк и в 1969 году получает свою первую роль в пьесе Джона Осборна «Патриот для меня». В 1970 году он получил свою первую роль в кино, в фильме «История любви».
В начале 1971 года он вернулся на Бродвей, в пьесу «Четверо в саду» где он играл на одной сцене с Кэрол Ченнинг и Сидом Кейзером. Через несколько лет он сыграл ветерана Вьетнама в фильме «Раскаты грома» (1977), и автомобильного магната с Лоуренсом Оливье в драме «Бетси».
В 1980 году Томми Ли Джонс впервые номинируется «Золотой глобус» за роль мужа кантри-певицы Лоретты Линн в фильме «Дочь шахтёра». В 1983 году актёр получил «Эмми» за лучшую мужскую роль, играя убийцу Гэри Гилмора в телевизионной адаптации «Песни Палача». В 1989 году он вновь номинировался на «Эмми» за исполнение роли бывшего «техасского рейнджера» капитана Вудро Ф. Колла в телевизионном мини-сериале «Одинокий голубь», который основан на одноимённом романе Ларри МакМертри.
В 1990-х годах Джонс становится одним из самых высокооплачиваемых и самых востребованных актёров Голливуда. В 1991 году актёр сыграл в фильме «Джон Ф. Кеннеди. Выстрелы в Далласе» (что принесло ему номинацию на «Оскара»), в 1992 году исполнил роль террориста, который захватывает корабль ВМС США, в фильме «В осаде». Его роль в фильме «Беглец» (1993) принесла ему широкое признание и премию «Оскар» за лучшую мужскую роль второго плана. Позже сыграл начальника тюрьмы в «Прирождённых убийцах» (1994).
Затем, в 2000 году, Джонс вместе с Клинтом Иствудом снялся в фильме «Космические ковбои». После двух сильных ролей в 2007 году — отца пропавшего солдата в фильме «В долине Эла» и техасского шерифа в триллере «Старикам тут не место» — отмечен всплеск в карьере Джонса.
В 2010 году Джонс согласился на съёмки в фильме «Первый мститель», который вышел в прокат в июле 2011 года. Также снимается в фильме «Люди в чёрном 3», где он вновь играет сурового агента Кея.