Tom Ellis, figlio di Marilyn Jean e Christopher John Ellis, è nato a Cardiff, Galles, Regno Unito. Ha frequentato la High Storrs School, a Sheffield, e ha suonato il corno francese nella "City of Sheffield Youth Orchestra".
Nel 2005, la ex fidanzata Estelle Morgan mette al mondo la sua primogenita, Nora Ellis. Ellis è stato in seguito sposato, dal 2006 al 2014, con l'attrice Tamzin Outhwaite da cui ha avuto due figlie; Florence Elsie Ellis e Marnie Mae Ellis. Nel 2013 la coppia annuncia la separazione.
Il 1º giugno 2019 sposa Meaghan Oppenheimer, con la quale si frequentava dal 2016. L’8 novembre 2023 nasce la loro prima figlia insieme, Dolly Ellis-Oppenheimer
Ha raggiunto la notorietà per aver recitato nel ruolo del Re Cenred nella serie televisivaMerlin nel 2010.
Dal 2009 al 2015, ha interpretato il ruolo di Gary Preston nella sit-com britannica della BBC Miranda.
Nel 2014 ha interpretato il ruolo del medico William P. Rush, protagonista della serie televisiva Rush.
Dal 2016 al 2021 è stato il protagonista di Lucifer, serie televisiva basata sull'omonimo fumetto della casa editrice Vertigo / DC Comics in cui ha interpretato l'angelo Lucifero, noto come Lucifer Morningstar.
Nel 2019 prende parte, insieme a tutto il cast di Miranda, allo spettacolo per il 10º anniversario della serie TV, dal titolo "Miranda: 10 years of such fun", tenutosi al London Palladium.
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