Nato a Aberystwyth, in Galles, e cresciuto tra Llandrindod Wells e Cardiff, figlio di due scrittori, prima di dedicarsi alla carriera di attore, venne spinto dalla famiglia alla carriera di cantante, per poi abbandonarla. Ha frequentato la Royal Welsh College of Music & Drama a Cardiff. Dopo la laurea in recitazione, Tom ha avuto un'intensa carriera artistica in tv e a teatro. Il suo primo film, Weekend, del 2011, conquista la critica e il pubblico, aggiudicandosi importanti riconoscimenti anche dalla stampa. Per il suo ruolo in questo film ha vinto come Miglior Attore al Nashville Film Festival. È stato il protagonista del terzo episodio della serie TV inglese Black Mirror dal titolo Ricordi pericolosi e, successivamente, nella mini-serie prodotta da Ridley Scott Mondo senza fine, in cui ha interpretato il ruolo di Wulfric. Molto conosciuto dal pubblico per la sua partecipazione alla serie TV inglese Downton Abbey, in cui interpreta uno dei pretendenti dell'ereditiera Lady Mary: ruolo che gli ha conferito uno Screen Actors Guild Award.
Tra i suoi lavori per il cinema ricordiamo anche Daddy's Girl di D.J. Evans (2006), The Last Days on Mars di Ruairi Robinson (2013), Desert Dancer di Richard Raymond (2013), Tiger House di Tom Daley (2014), Black Mountain Poets (2015). Lo vedremo poi in Mine di Fabio Guaglione e Fabio Resinaro e in The other half, film romantico scritto e diretto da Joey Klein, in cui recita al fianco di Tatiana Maslany.