Après des études à l'Université de Kent à Canterbury, où il obtient un diplôme en littérature anglaise et américaine, Tom Wilkinson se lance dans le théâtre. Il obtient son premier rôle au cinéma dans Smuga cienia d'Andrzej Wajda, mais apparaît ensuite surtout dans des séries télévisuelles.

Les années 90 le consacrent, grâce à des rôles dans des productions américaines : Raison et sentiments de Ang Lee (1995), L' Ombre et la proie de Stephen Hopkins (1996) ou encore Smilla de Bille August (1997). Le succès de Full Monty / Le Grand jeu (1997) conforte sa popularité. Il est récompensé pour son rôle avec un BAFTA, l'équivalent anglais des Oscars. En 1998, Tom Wilkinson, acteur au physique de grand-père idéal, s'illustre dans Shakespeare in Love, qui confirme sa propension à jouer dans des grosses productions américaines : il retrouve ainsi Ang Lee pour Chevauchée avec le diable et apparaît dans The Patriot et In The Bedroom, ce dernier film lui apportant une nomination à l'Oscar du Meilleur second rôle. Il inaugure également la saga des Rush Hour, aux côtés de Jackie Chan et Chris Tucker.

En 2002, Tom Wilkinson tourne dans deux films d'époque : La Jeune fille à la perle, qui retrace la vie du peintre hollandais Vermeer et L' Importance d'être constant, d'après l'oeuvre d'Oscar Wilde. Dans ce film, il tourne avec Rupert Everett, acteur qu'il retrouve sur Stage beauty. Entre-temps, il participe au blockbuster Batman begins et dans Eternal sunshine of the spotless mind de Michel Gondry. En 2005, Tom Wilkinson incarne le Père Moore, chargé de pratiquer L'Exorcisme d'Emily Rose.

Tête d'affiche dans Separate Lies, il incarne dans ce drame sur l'adultère un mari trompé par sa femme, jouée par Emily Watson ; il y retrouve encore une fois Rupert Everett. Ce film anglais lui permet de renouer avec ses racines britanniques. Lien idéal entre les Etats-Unis et l'Europe, il passe avec aisance d'un continent à l'autre. Oncle d'Amérique qui précipite dans la tragédie Colin Farrell et Ewan McGregor dans Le Rêve de Cassandre, il repart à Hollywood pour épauler George Clooney dans Michael Clayton. En 2008, Tom Wilkinson tient le rôle de Lenny Cole, un homme d'affaire corrompu, dans le film de Guy Ritchie, Rock'NRolla. L'année suivante, l'acteur britannique enchaîne les tournages. Mêlé à la tentative d'assassinat d'Hitler dans Valkyrie, il est ensuite pris dans une affaire d'espionnage aux côtés de Julia Roberts et Clive Owen dans le film de Tony Gilroy, Duplicity.

En 2009, il prête sa voix à Fox le renard dans le film d'animation Le Gruffalo avant de tourner avec Roman Polanski dans The Ghost Writer. Dans ce thriller adapté d'un roman de Robert Harris (II), Tom Wilkinson incarne Paul Emmett et donne la réplique à Ewan McGregor et Pierce Brosnan. Marquée par l'arrestation du réalisateur, la postproduction du film a été longue mais Roman Polanski est toujours resté en contact avec ce projet et ses comédiens. Le film sera d'ailleurs récompensé de nombreux prix dont l'Ours d'argent du meilleur réalisateur. Tom Wilkinson enchaine en prêtant à nouveau sa voix au personnage plus réaliste de Goebbels dans la comédie animée Jackboots On Whitehall, dans laquelle il retrouve Ewan McGregor, puis s'affiche devant la caméra de John Madden en 2010. Ce thriller dramatique, dont le scénario est signé Matthew Vaughn, plonge l'acteur dans la traque du Mossad aux côtés d'Helen Mirren et Sam Worthington. Il continue sa belle et longue carrière d'acteur en acceptant de jouer dans le huitième film de Robert Redford, La Conspiration, qui reprend l'histoire de l'assassinat du président Lincoln, avant d'entamer le tournage de The Green Hornet : produit aux Etats-Unis mais réalisé par le Français Michel Gondry, ce film en 3D mêle l'action et la comédie et illustre les aventures du Frelon vert (Seth Rogen). Le comédien repose un pied à la télévision en jouant dans la mini-série des Kennedy avant d'intégrer le casting du quatrième volet de la saga Mission : impossible, Mission: Impossible - Protocole fantôme, dont le rôle central est toujours tenu par Tom Cruise. Dans un registre moins explosif, il campe, en 2012, un retraité britannique venant s'aventurer en Inde dans la comédie dramatique Indian Palace, aux côtés de Judi Dench et Maggie Smith.