Once hijos tuvieron Francisca y Francisco, y Tomás fue el séptimo. En 1558, con diez años, ingresó como niño cantor en el coro de la Catedral abulense. A la vez, se formaba en cultura y música en la escuela de San Gil, de los jesuitas, quienes dirigirían su formación teórica y práctica en adelante.
Sus primeros pasos en la polifonía los dio con buenos maestros como Bernardino de Ribera o Juan Navarro, y las lecciones de organista correrían a cargo de Damián de Bolea, Bernabé del Águila o Antonio de Cabezón.
En 1567 fue enviado a Italia, y entró primeramente en el Collegium Germanicum que los jesuitas tenían en Roma y, más tarde en el también jesuita Colegio Romano, donde estudió materias eclesiásticas con Rodolfo y Ángel, hijos del maestro de la capilla del Seminario Romano, Giovanni Pierluigi da Palestrina, el músico con más renombre en ese momento en Italia.
Solo dos años después, Victoria ya ejercía como maestro de capilla, cantor y organista en la iglesia Catalano-aragonesa de Santa María di Montserrato en Roma, y a la vez en la Santísima Trinità dei Pellegrini como cantor y en San Giacomo degli Spagnoli como músico.
En 1571 el Colegio Germánico ofreció a Tomás Luis de Victoria un puesto de profesor de música a cambio de un salario, estancia y manutención, y en 1573, el Seminario Romano le ofrece suceder al maestro Palestrina como maestro de la capilla. Cada vez más famoso como intérprete, Victoria todavía recibió otro ofrecimiento, el de maestro de capilla de la Iglesia de San Apolinar. Él, envalentonado y sin pensar que igual eran muchos cargos a la vez, aceptó todos y se integró plenamente en la escena musical italiana.
Junto a este éxito profesional, Victoria aspiraba además a un gran deseo personal: ser sacerdote, lo cual consiguió pronto, a los veintisiete años, y fue ordenado en 1575 en la romana iglesia de Santo Tomás de Canterbury tras superar en tan solo medio año todos los requisitos para ello.
Pero, lógicamente, la gran cantidad de compromisos profesionales más la labor de sacerdocio impidieron al maestro dar abasto a todos los interesados. Por eso, renunció a algunos de sus puestos y obligaciones anteriores y dio un giro a su vida. Como clérigo, Victoria decidió ir más hacia el lado espiritual y la composición de música, que a ejercer de maestro de capilla o de organista. Este giro vital a sus treinta años, lo llevó a unirse como capellán a la comunidad de sacerdotes seculares de San Felipe Neri en Girolamo della Caritá. Allí mantuvo una vida espiritual intensa, con un contacto personal con Felipe Neri y un sometimiento a normas muy diferentes a las que conocía.
En 1587, tras más de dos décadas en Italia, el maestro regresa a España como gratificación personal de Felipe II. Al llegar, Victoria recibió peticiones para instalarse en numerosas catedrales, pero él se decidió por la capilla personal de la emperatriz María, hermana de Felipe II, sita en el monasterio de las Descalzas Reales de Santa Clara de Madrid. Era un lujoso monasterio que tenía como principal benefactora a Juana, otra hermana de Felipe II y esposa de Juan de Portugal, por lo que Victoria gozó de privilegios y de buenos recursos para su trabajo. La capilla musical, por ejemplo, estaba bien surtida: ocho capellanes cantores, dos para cada voz, un organista y uno o más instrumentistas.
A pesar de morir la emperatriz en 1603, el estatus de Tomás Luis no sufrió cambios, al contrario, se hizo cargo del órgano del monasterio, su notoriedad fue recompensada y sus ingresos fueron yendo incluso a mejor hasta llegar en 1606 a cobrar setenta y cinco mil maravedís…
No compuso Victoria más obras que sus contemporáneos, pero las que creó eran de muy buena calidad, gracias en buena parte a los apoyos económicos que recibió en su etapa italiana y el mecenazgo que ejercieron en él personajes como Ernesto de Baviera, el papa Gregorio XIII, los cardenales Otto von Truschess y Michele Bonillo, el duque de Saboya o el archiduque-cardenal Alberto de Flandes. Además, en España, Felipe III y la princesa Margarita también fueron buenos benefactores suyos.
Muestra de la importancia de las colecciones de música religiosa polifónica que editó Victoria en Italia o España, algunas en lujosos formatos, es que los grandes centros catedralicios españoles e hispanoamericanos se interesaron a menudo por adquirir para sus fondos musicales las nuevas ediciones de este músico y poderlas interpretar en sus capillas musicales, y que catedrales como las de Zaragoza o Sevilla reclamaran el maestro de Ávila como su maestro de capilla.
El propio autor no dudaba en, de forma personal o mediante intermediarios, ofrecer sus libros a los cabildos, capillas y personalidades de la vida religiosa y política, ya fuese en España o en Italia, para poder sacar unos ingresos que, aunque insuficientes, ayudaran a publicar ediciones y reediciones posteriores.
Pero, más que la cantidad, fue su calidad como músico lo que hizo ser valorado más que otros muchos en ese entonces y después. Solo compuso obras religiosas y se basó solo en materiales litúrgicos para crear nuevas composiciones. Si bien, sus inicios estuvieron marcados por esa música romana renacentista, apegada al maestro Palestrina, pronto buscó Victoria su propio estilo, acercándose a una mayor expresividad y drama, usando novedosos recursos armónicos que dejaban ya entrever lo que vendría: la música barroca, o lo que es lo mismo, el uso de varios coros simultáneos ubicados en espacios diferentes, la introducción del órgano en el conjunto vocal, o la incesante búsqueda de texturas y colores sonoros que contrastaran entre ellos y que hicieran al texto sobresalir y ser comprendido mejor.
La salud de Victoria se fue debilitando después de 1606 y este solicitó a Felipe III contar con un auxiliar organista que lo asistiera, cargo que ocupó Bernardo Pérez de Medrano, quien además lo sucedería en el puesto algún tiempo más tarde cuando, el 27 de agosto de 1611, el maestro abulense falleció en el mismo monasterio madrileño.