탈리스의 초년기에 대해선 알려진 바가 거의 없으나 대체로 헨리 7세 치세가 막을 내릴 시기인 16세기 초반에 출생했다는 것이 정설이다. 탈리스의 유년기와 그 시절 음악과 그의 관련성에 대해서도 거의 알려지지 않았다. 그러나 그가 St. James Palace, Chapel Royal의 소년 성가대원이었다는 단서들은 있다. 최초로 알려진 그의 공식적인 음악 직책은 1532년이었다. 그는 도버의 베네딕토 수도회에서 오르가니스트를 맡았다. 그 후 런던으로 갔고 1537년에는 세인트 메리 앳 힐 교회에서 일했다. 1년 후 탈리스는 월섬 수도원으로 직책을 옮겼으며 헨리 8세의 수도원 해체령으로 1540년까지 월섬 수도원에 머물렀다.

탈리스의 다음 직책은 캔터베리 대성당의 서기관이었고 그 후에 궁정으로 들어가게 된다. 그 다음 1543년 그는 왕실 예배당의 상임 위원회(Court of Gentleman)로 보내졌고 그는 그 곳에서 헨리 8세, 에드워드 6세, 메리 1세, 엘리자베스 1세를 위해 작곡 및 연주 활동을 했다. 탈리스는 엘리자베스 1세 치하에서 로마 가톨릭 신앙을 유지했음에도 불구하고 그를 총애했던 여왕이 탈리스를 보호해주어서 그를 둘러싸고 있던 종교적인 다툼들을 피할 수 있게 했다.[1]

탈리스는 왕실의 광범위한 다양한 요구들에 맞춰 작곡 스타일을 바꿀 수 있었다. 크리스토퍼 타이와 로버트 화이트를 포함한 그 시절 다른 중요한 작곡가들 중에서도, 탤리스는 독보적이었다. 탈리스는 윌리엄 버드 뿐만 아니라 브리스톨 대성당의 오르가니스트였던 엘웨이 베빈의 스승이었고, Chapel Royal의 상임 위원(Gentleman)이었다.

탈리스는 1552년 경 결혼했다. 그의 부인 조앤은 그보다 4년을 더 살았다. 그들은 자녀가 없었다. 말년에 그는 왕궁과 가까이에 있는 그리니치에 살았다.

1572년부터 탈리스는 동료 작곡가였던 윌리엄 버드와 만나 함께 일했다. 후인 1575년부터 이 두 작곡가는 여왕으로부터 악보인쇄와 판매의 독점권을 얻었지만 1585년 탈리스가 세상을 떠날 때까지 별 이득을 보지는 못했다.

토마스 탈리스는 1585년 11월 그리니치에 있는 그의 집에서 평화롭게 눈을 감았다. 대부분의 역사가들은 그가 23일에 죽었다는 것에 동의한다. 그는 그린위치에 있는 St. Alfege 교회 교구의 성단에 묻혔다. 지금까지 St. Alfege 교회에 있는 탈리스가 묻힌 정확한 위치는 알려지지 않았다. 그의 유해는 1712년과 1714년 사이에 그 교회가 재건축되었을 때, 건설인부들에 의해 해체되었다. 탤리스의 원본 기념물은 남아있는 것이 없다.

탈리스는 대체로 음악 선배들이나 후배들이 사용했던 화려한 기법은 피했지만, 기법상으로는 무척이나 눈부신 재능을 나타낸다. 탈리스는 대위법에서 벗어나 더 낭독적으로 가사를 사용해 메시지의 전달력으로 바로크 음악에 한 발짝 다가간 작곡가로 평가받는다. 깨끗하고 소박하면서도 감정의 격앙이 돋보이는 성가를 무수히 작곡했다.

가장 유명한 작품은 5성부로 이루어진 8개 합창단, 즉 40성을 위한 모테트 《주님 외에 결코 다른 희망이 없네(Spem in alium nunquam habui)》이다. 엘리자베스 1세의 40세 생일 축하를 위해 작곡했다는 설이 있다.

르네상스 음악에서 본좌급 성악 앙상블인 영국의 탈리스 스콜라(Talis Scholars)는 토머스 탈리스에게서 이름을 취한 것.

미드 <튜더스>의 시즌1에서도 비중있는 조연으로 등장했다.

사후 300년 후 랠프 본 윌리엄스가 1910년 토마스 탈리스 주제에 의한 환상곡을 작곡하였다.