C'est dès l'âge de 11 ans que Tom Tykwer s'amuse à tourner ses premiers films avec une petite caméra super 8. Cinéphile averti, il prend en charge, alors qu'il n'est encore qu'adolescent, la programmation d'une grande salle de cinéma berlinoise et devient lecteur de scénarios pour assurer le quotidien. Il se lance en 1990 dans l'aventure de la réalisation avec le court métrage Because, expérience qu'il réitère en 1992 avec Epilog, et tourne son premier long métrage l'année suivante, la comédie dramatique Maria la Maléfique.

Se démarquant par son style visuel, rythmé et coloré, le cinéaste allemand signe en 1997 Les Rêveurs, distingué dans de nombreux festivals. Mais c'est surtout l'année suivante, en mettant en scène la course furieuse de Lola (Franka Potente) pour sauver son petit ami dans Cours, Lola, cours, que Tom Tykwer s'impose au niveau mondial. Le cinéaste retrouve Franka Potente, devenue sa compagne, à l'occasion du drame romantique La Princesse et le guerrier en 2001.

Scénariste, et régulièrement compositeur de ses films, Tom Tykwer déroge pourtant à la règle en acceptant en 2002 de mettre en scène un scénario de Krzysztof Kieslowski intitulé Heaven, premier film du réalisateur allemand porté par un casting international : Cate Blanchett et Giovanni Ribisi. En 2005, il s'associe aux 19 autres réalisateurs de tous horizons qui participent au film à sketches Paris je t'aime. L'occasion pour lui de filmer la rencontre amoureuse de Natalie Portman et de Melchior Belson avant de rejoindre la même année le tournage du Parfum, adaptation du célèbre roman de Patrick Süskind où il dirige, entre autres, Dustin Hoffman et Alan Rickman.

En 2009, il lance Clive Owen et Naomi Watts aux quatre coins du monde, sur la piste d'une multinationale aux agissements douteux dans L'Enquête, un thriller dont il a également composé la musique. Il retourne en Allemagne l'année suivante pour réaliser Drei (2010), film dramatique qui se retrouve en compétition pour le Lion d'Or du 67ème Festival de Venise. Il s'associe ensuite aux frères Wachowski avec qui il co-scénarise et co-réalise Cloud Atlas, adaptation très ambitieuse du roman éponyme de David Mitchell. Le tournage débute en septembre 2011, et Tykwer réalise les séquences correspondant à trois des six époques dépeintes dans le film. Polyvalent sur le projet, il participe également à la composition de la musique originale.