Тоомас Ильвес родился 26 декабря 1953 года в Стокгольме, Швеция. Имеет русские корни по линии матери. Родители – эстонцы, покинувшие Эстонию в 1944 году во время наступления Красной армии.

Детство и юность Тоомаса прошли в США, куда эмигрировали его родители. Среднюю школу он окончил в 1972 году в Леонии, штат Нью-Джерси. В 1976 году получил степень бакалавра психологии Колумбийского университета. В 1978 году окончил Пенсильванский университет со степенью магистра психологии.

С 1974 по 1979 Ильвес работал ассистентом-исследователем отделения психологии Колумбийского университета. Затем до 1981 года – заместителем директора и преподавателем английского языка в Центре открытого образования в г.Инглвуд, США.

В 1981-83 гг. - работал художественным администратором и директором Ванкуверского литературного центра.

С 1983 по 1984 преподавал эстонскую литературу и лингвистику в университете Симона Фрейзера в Ванкувере, Канада.

В 1984-88 гг. работал в Мюнхене на должности аналитика исследовательского института радио «Свободная Европа». Затем, переехав в 1991 году в Эстонию, до 1993 года заведовал национальным отделом редакции радио «Свободная Европа».

С 1993 по 1996 год – чрезвычайный и полномочный посол Эстонии в США, Канаде и Мексике. В 1998 году – председатель совета Североатлантического института. В 1996-98 и 1999-2002 гг. Тоомас Ильвес работал министром иностранных дел Эстонии.

В 2001-02 гг. возглавлял Народную партию «Умеренных». После проигрыша партии на муниципальных выборах ушел с этой должности. Вскоре партия была переименована в Социал-демократическую партию Эстонии.

В 2002-04 годах от партии «Умеренных» становится депутатом парламента (Рийгикогу).

Ильвес был приверженцем вступления Эстонии в Евросоюз, принимал активное участие в переговорах, и в результате Эстония стала членом ЕС в мае 2004 года. В том же году Тоомас Ильвес, представлявший СДПЭ, был избран депутатом Европарламента, где присоединился к Партии европейских социалистов. В Европейском парламенте Ильвес занял ост заместителя председателя комиссии по иностранным делам.

23 марта 2006 года Партия реформ и СДПЭ выдвинули кандидатуру Ильвеса для участия в выборах президента Эстонии. 23 сентября Тоомас Хендрик Ильвес был избран на пост главы страны, официально к должности он приступил 9 октября 2006 года.

На посту президента Ильвес известен своими высказываниями относительно русскоязычного населения Эстонии, что вызвало негодование в этой части общества. «Есть 140 миллионов человек в России, и все они говорят по-русски, есть один миллион эстонцев, и есть единственное место в мире, где вы можете говорить по-эстонски. Вот почему эстонцы считают важным говорить по-эстонски», - заявил он корреспонденту ВВС.

Тоомас Ильвес женат во второй раз. Супруга – Эвелин Инт-Ламбот, у них общая дочь Кадри Кейу. В первом браке у Ильвеса есть сын Луукас Кристьян и дочь Юулиа Кристийне.

Президент Эстонии хорошо владеет английским, немецким, испанским и эстонским языками.

Награжден орденом Заслуг І класса (Норвегия), Большим крестом ордена Почета (Греция), орденом Государственного герба ІІІ класса (Эстония), орденом Трех звезд (Латвия), орденом Белой розы (Финляндия), орденом Золотого руна (Грузия) и многими другими орденами и наградами.