Tommy Lee vive un'infanzia difficile, per colpa della separzione dei genitori,ma fortunatamente il football, gli permette di ottenere una borsa di studio alla St. Mark's School di Dallas. Qui, prendendo parte ad una produzione studentesca, Jones scopre il teatro. Ancora il football gli apre le porte di Harvard, dove gli capita di avere Al Gore come compagno di stanza e di poter affinare le sue capacità sceniche in alcune rappresentazioni shakespeariane. Il sogno di diventare un giocatore professionista e di essere ingaggiato dai Dallas Cowboys s'infrange però a causa della sua struttura fisica troppo leggera. Jones, allora lascia Harvard dopo una laurea con lode e si sposta a New York.
Per alcune stagioni appare in un serial della ABC ("One Life To Live"), e nel 1970 debutta nel cinema in "Love Story". Nel 1975 ottiene ruoli importanti nell'episodio pilota di "Charlie's Angels" e nel film "Eccesso di difesa" , in cui è un evaso braccato dalla polizia. Per circa quindici anni Jones lavora soprattutto in televisione.
Per quanto riguarda il cinema, nel 1980 è il marito della cantante country Loretta Lynn ne "La ragazza di Nashville" e nel 1988 è il protagonista in "Stormy Monday - Lunedì di tempesta", in cui veste i panni di Cosmo, losco uomo d'affari americano.
È però nel 1991 che la carriera di Jones giunge a una svolta: con "JFK" di Oliver Stone - in cui è Clay Shown, uno dei sospettati della cospirazione che ha portato all'assassinio di Kennedy - Tommy Lee Jones ottiene la prima nomination all'Oscar come miglior attore non protagonista. Nella stessa categoria, l'Oscar gli arriverà tre anni più tardi, per la sua interpretazione di Sam Gerard, il federale che insegue Harrison Ford ne "Il fuggitivo". Sull'onda del successo, nello stesso 1994 Jones appare in tre film come "Blown Away", "Il cliente" e "Assassini nati - Natural Born Killers".
Dopo la partecipazione a "Batman Forever" (1995) , nel 1997 è il responsabile della protezione civile che salva Los Angeles da una disastrosa eruzione vulcanica in "Vulcano - Los Angeles 1997" e il collega 'anziano' di Will Smith in "M.I.B. - Men in Black" e nel 1999 partecipa a "Colpevole d'innocenza" di Bruce Beresford.
Nel 2000 è accanto a Clint Eastwood, Donald Sutherland e James Garner in "Space Cowboy" diretto da Eastwood, film presente al Festival del Cinema di Venezia 2000.
Gira nel 2002 "Man in Black 2" e nel 2003 "The Missing" e "The Hunted- la preda". Ha interpretato il Texas ranger Roland Sharp nella pellicola dal titolo "L'uomo di casa" (2005) e ha lavorato come attore e regista nel film "Le Tre Sepolture" (2005).
E' stato uno dei protagonisti di "Radio America" (2006) di Robert Altman e di "No Country for Old Men" (2007) dei fratelli Coen.
Ultimamente ha lavorato nel film di Paul Haggis "In the Valley of Elah" (2007) accanto a Charlize Theron.