Tom Riley se graduó de la Universidad de Birmingham en Birmingham, Inglaterra en 2002 y de la Academia de Música y Arte Dramático de Londres (LAMDA) en 2005. Después de sus estudios universitarios, formó la compañía de teatro Article 19, y mientras estudiaba en LAMDA comenzó a trabajar con la compañía Royal Court Theatre, apareciendo en la obra The Woman. Hizo su debut en Broadway en 2011, en una reposición de Arcadia de Tom Stoppard. Riley tuvo presencia frente a las cámaras desde principios de los años 2000, apareciendo tanto en cine como en televisión. Un gran paso en su carrera fue cuando fue elegido para protagonizar en el papel de Leonardo da Vinci en la serie Da Vinci's Demons (2013-2015). Los siguientes años se destacó en otras series como The Collection (2016) y The Nevers (2021-2022). Próximamente lo veremos en la nueva miniserie de Netflix La mujer de la casa de enfrente de la chica en la ventana (2022).