Fils de parents israéliens - une mère juive et un père arabe, Tomer Sisley se découvre une vocation d'humoriste durant son adolescence. Participant à de nombreux castings, il débute sa carrière de comédien aux côtés de Séverine Ferrer dans la sitcom Studio Sud (1996). Apparaissant dans quelques films dont Alliance cherche doigt (1997), Absolument fabuleux (2001) et Dédales (2003), il accède à la consécration en pratiquant le stand-up (discipline humoristique consistant à s'adresser directement aux spectateurs sur des sujets divers, en faisant croire que tout est improvisé) et en faisant la première partie du one man show de Jamel Debbouze en 2004.

Bête de scène, Tomer interprète au cinéma quelques seconds rôles dans des registres variés : repoussant les avances de Julie Depardieu dans la "romance-photo" Toi et moi (2006), il joue les caïds dans le polar Truands (2007) et prête sa voix à la Grue dans la saga Kung Fu Panda. La même année, il se glisse dans la peau du richissime aventurier Largo Winch dans l'adaptation de la célèbre bande dessinée créée par Philippe Francq et Jean Van Hamme. Le succès est au rendez-vous et le comédien signe trois ans plus tard avec la même équipe pour une deuxième aventure du héros milliardaire, côtoyant pour l'occasion l'actrice américaine Sharon Stone.

La même année, Tomer impressionne en père prêt à tout pour sauver son fils dans le thriller Nuit Blanche de Frédéric Jardin. Apparaissant en 2013 dans Les Miller, une famille en herbe, lucrative comédie américaine avec Jennifer Aniston, Tomer peine toutefois à faire décoller sa carrière au cinéma. En témoignent ses prestations dans les très mal reçus Angélique et Kidon. Toujours habitué au thriller, il campe en 2017 le héros du Serpent aux mille coupures d'Eric Valette, adapté d'un roman noir à succès. Il effectue ensuite deux apparitions dans deux films américains (Lucky Day de Roger Avary et Don't Look Up d'Adam McKay).

Davantage actif côté télévision, Tomer porte le série à succès Balthazar (2018 - 2023), dans laquelle il campe un médecin légiste particulièrement doué. Il joue aussi Ronan Berg, commissaire divisionnaire, dans Les Innocents et un commandant de police judiciaire de Brest dans Vortex, deux mini-séries. A noter aussi ses prestations dans le téléfilm Comme mon fils, la série de TF1 en quatre épisodes Une Mère parfaite et la série criminelle Netflix Messiah. En 2024, il se glisse à nouveau dans la peau de Largo Winch pour les besoins du troisième opus de la saga : Largo Winch : Le prix de l’argent, cette fois mis en scène par Olivier Masset-Depasse.