Tomasz urodził się w 1486 r. w Fuenllana, w Kastylii, a dorastał w Villanova de los Infantes - i to ta miejscowość widnieje w jego przydomku. Był synem Tomasza Garcia, młynarza, i Lucii Martinez de Castellanos. Rodzice wpoili mu bezinteresowną miłość do ubogich, dlatego już w dzieciństwie chętnie dzielił się z uboższymi kolegami swoim ubraniem i jedzeniem, chociaż jego rodzina nie należała do bogatych. W celu kontynuowania nauki został wysłany do Alcala na uniwersytet świeżo założony przez arcybiskupa Toledo - kard. Ximenesa. Szesnastoletni Tomasz poświęcił się całkowicie studiom. W 1509 r. uzyskał stopień magistra artium. W latach 1513-1516 był profesorem filozofii na tej uczelni.
W 1516 r. niespodziewanie porzucił uniwersytet i wstąpił do zakonu augustianów w Salamance. W rok potem złożył śluby zakonne, a w 1518 r. otrzymał święcenia kapłańskie. Już pierwsze kazanie ukazało jego niezwykły dar głoszenia słowa Bożego. Był jednym z najznakomitszych kaznodziejów swojego czasu. Król Karol V chętnie słuchał jego kazań i często prosił go o radę. Chciał mianować go arcybiskupem Granady, lecz Tomasz nie przyjął nominacji.
Od 1519 r. przez wiele lat pełnił różne funkcje w zakonie. Był przeorem klasztorów w Salamance, Burgos i Valladolid, prowincjałem Zakonu w Andaluzji (1527-29) i Kastylii (1534-1537).
Mimo znacznej odległości Hiszpanii od Włoch, Stolica Święta dowiedziała się o niezwykłych zaletach umysłu i ducha Tomasza. W 1544 r. pod posłuszeństwem został zmuszony do przyjęcia godności biskupa archidiecezji walenckiej, która była jedną z najbogatszych, ale jednocześnie najbardziej zaniedbanych diecezji Hiszpanii. Trafił w miejsce, w którym od ponad 100 lat nie było żadnego rezydującego na miejscu biskupa. Pierwszą czynnością nowego pasterza była wizytacja parafii. Chciał poznać swoją diecezję, jej potrzeby oraz braki. Doświadczenie wielu lat na urzędach zakonnych wykorzystał dla kierowania wiernymi. Po przeprowadzeniu wizytacji archidiecezji przeprowadził synod diecezjalny. Uchwały, jakie na nim zapadły, można uważać za zapowiedź reform, jakie niebawem miały zapaść na Soborze Trydenckim w latach 1545-1563.
Pełniąc urząd arcybiskupa, nadal pozostał prostym zakonnikiem. Do swej nowej siedziby przy kościele katedralnym Tomasz przybył pieszo, w starym, wielokroć łatanym habicie. Otrzymaną od kapituły katedralnej dużą sumę pieniędzy na wyposażenie pałacu biskupiego przekazał ubogiemu szpitalowi. Z pasją głosił kazania, udzielał nauk katechumenom, nauczał i przestrzegał. Zawsze znaczne sumy przeznaczał na pomoc ubogim, a szczególnie gorliwie opiekował się sierotami. Uposażał ubogie dziewczęta, by mogły dobrze wyjść za mąż. Sam żył bardzo skromnie. Już za życia był znany i czczony jako ojciec ubogich.
Nie zaniedbywał też innych problemów diecezji. Przywracał ład i dyscyplinę. Natchnienie do swoich poczynań czerpał z doświadczenia i pism św. Ambrożego, św. Augustyna i św. Grzegorza Wielkiego. W roku 1550 założył jedno z pierwszych w świecie kolegium-seminarium, by kształcić kapłanów. Pamiętał również o swoim zakonie. Zakładał klasztory augustiańskie w swojej archidiecezji. Wysyłał misjonarzy do Meksyku (1549), a niedługo potem także do Peru (1551). Był przeciwny temu, by prześladować ludność pochodzenia arabskiego i żydowskiego, a także, by morysków nawracać siłą. Interweniował nieraz i wyrywał ofiary z rąk inkwizycji hiszpańskiej.

Tomasz z Villanova zmarł otoczony miłością wiernych w uroczystość Narodzenia Najświętszej Marii Panny 8 września 1555 r. w Walencji i w tamtejszym kościele augustianów jest pochowany. Przed śmiercią chorował, ponieważ padł ofiarą zarazy. Trzeba było przynieść dla niego łóżko, gdyż pełen miłosierdzia biskup wszystkie meble z własnego domu porozdawał potrzebującym.
Jego kult był tak żywy, że w 1618 r. papież Paweł V wyniósł go do chwały błogosławionych, a papież Aleksander VII w 1658 r. dokonał jego uroczystej kanonizacji i założył parafię pod wezwaniem św. Tomasza z Villanueva w Castelgandolfo we Włoszech, której do dnia dzisiejszego jest patronem, a w której pracują salezjanie. Na jej terenie leży letnia rezydencja papieży. W Stanach Zjednoczonych, w mieście Villanova, założony został uniwersytet katolicki pod patronatem Świętego. W 1661 r. powstało zgromadzenie zakonne Sióstr Augustynianek św. Tomasza dla posługi ubogim.
Relikwie św. Tomasza znajdowały się początkowo w klasztorze augustianów w Walencji. Obecnie odbierają cześć w tamtejszej katedrze.
W muzeum w Sewilli znajduje się znany obraz Bartolomé Estebana Murillo "Św. Tomasz z Vilanueva dający jałmużnę". Liczne kazania i krótkie pisemka św. Tomasza zostały starannie wydane i są ważnym wkładem do duchowej literatury Hiszpanii. Od 1959 r. św. Tomasz jest patronem studiów w Zakonie św. Augustyna.

W ikonografii przedstawiany jest w szatach biskupich, w otoczeniu żebraków, z torbą, leczący chorych, oddający im swoje łoże.