La carriera di attore di Tom Schilling ebbe inizio nel 1994, all' età di dodici anni, quando fu ingaggiato dal Berliner Ensemble per la rappresentazione di "In the Shadow of the Moon". A questo fecero seguito quattro anni, in cui affiancò il suo lavoro di attore agli studi scolastici. Il suo debutto televisivo risale al 1999, nel ruolo di Tucky nello show poliziesco di Ben Verbong "Kinder der Gewalt" e il suo debutto sul grande schermo, un anno dopo, nel thriller di Friedemann Fromm Schlaraffenland, preceduto da un piccolo ruolo nella commedia Exit to Heaven. Il momento che aspettava venne con Crazy di Hans-Christian Schmid, per il quale, insieme a Robert Stadlober, ricevette il premio di Miglior neoattore al Bavarian Film Prize 2000. Nel 2002, Tom Schilling rivestì il ruolo principale nel film tv di Michael Gutmann Heart in the Head. Nel 2004 è tra i protagonisti di I ragazzi del Reich. Tom Schilling ha lavorato anche nei due film di Oskar Roehler, Agnes and his Brothers (2004) e Le particelle elementari (2006), e si unì al cast dell'anarchico Black Sheep (2007) di Robert Stadlober. Apparve anche in TV nell'acclamata serie ZDF KDD. Lo stesso anno, Uli Edel lo diresse in La banda Baader Meinhof e nel 2011 apparve al fianco di Götz George in Mein Kampf di Urs Odermatt.
Partecipa al film Suite francese di Saul Dibb e nel 2018 è diretto da Florian Henckel von Donnersmarck in Opera senza autore. Sarà poi in Bertold Brecht nel film Brecht del 2019, e verrà diretto da Dominik Graf in Fabian - Going to the Dogs.