Брат Джимми Дорси (кларнет, альт-саксофон, бэндлидер). Обучаться музыке стал в раннем возрасте под началом отца (корнетиста и руководителя брасс-бэнда), с его помощью освоил трубу, позднее перешел на тромбон.
Первый ангажемент получил в 16 лет — в ансамбле SCRANTON SIRENS, где выступал и его брат, затем играл вместе с ним в оркестре CALIFORNIA RAMBLERS Эда Керкеби, Адриана Роллини, участвовал в Нью-Йорке в записях этого джаз-бэнда. Сотрудничал с Жаном Голдкетом и Полом Уайтменом (до 1927), возглавлявшими большие «симфоджазовые» оркестры с танцевально-развлекательным репертуаром.
В 1925 записался на пластинки как трубач. Как и Дж. Дорси, был членом студийного диксилендового ансамбля «Реда» Николса FIVE PENNIES (1926), в составе которого выступали также Бенни Гудмен, Джо Венути, Эдди Ланг, Джин Крупа. С 1927 специализировался на игре на тромбоне. Из-за нестабильности своего материального положения эпизодически работал в различных коммерческих оркестрах — у Винсента Лопеса, Теда Льюиса, Андре Костелянца, Виктора Янга, Руди Вэлли, в 1928 и в 1932 — в ансамбле Фила Наполеона ORIGINAL MEMPHIS FIVE (вместе с братом). В том же году основал и возглавил вместе с Дж. Дорси именной оркестр — DORSEY BROTHERS ORCHESTRA, завоевавший широкую известность. В 1935 Томми Дорси создал свой биг-бэнд. Успеху биг-бэнда в немалой степени способствовали аранжировщики Пол Уэстон, Д. Кинкэйд, С. Оливер, Билл Файнган. По аналогии с малым диксиленд-бэндом ORIGINAL DORSEYLAND ORCHESTRA Дж. Дорси, в 1936 Т. Дорси сформировал из членов своего биг-бэнда («Пи Ви» Эрвин, «Бад» Фримен, Д. Таф и другие) комбо CLAMBAKE SEVEN, специализирующееся в области импровизации камерного джаза в традиционном стиле и предназначенное для выступлений в джем-сешн (отсюда и название ансамбля). В 1953 братья вновь объединились: Дж. Дорси распустил свой оркестр и стал работать как солист (и второй руководитель) биг-бэнда Т. Дорси, а после его кончины продолжал возглавлять этот коллектив (в 1956—57). Оркестр не утратил популярности и в последующие годы (отчасти благодаря радио и телевидению) получил статус «мемориального» бэнда и существовал, неоднократно обновляя состав, до 60-х годов (под руководством Ли Кастла, затем — Уоррена Ковингтона).
Среди ведущих «белых» музыкантов свинговой эры Т. Дорси занимает особое, исключительно важное положение. Оставаясь прежде всего представителем коммерциализированной танцевально-развлекательной популярной музыки, он, тем не менее, внес большой вклад в процесс сближения этой сферы с джазом и в становление профессионально-зрелой концертной разновидности оркестра свингового стиля (наиболее значительным его преемником в данном направлении является Бенни Гудмен). Указанную тенденцию можно условно обозначить краткой формулой «джаз-ин-свинг» (освоение джазовой идиоматики в области коммерциализированного свинга), тогда как к негритянскому хот-свингу (возникшему еще в начале 20-х годов) более применим термин «свинг-ин-джаз» (разработка техники свингования в джазе) — по аналогии с принятыми в литературе о джазе терминами, характеризующими взаимодействие блюза и джаза («блюз-ин-джаз» — ассимиляция джазом блюзовых традиций, «джаз-ин-блюз» — проникновение в практику интерпретации блюза достижений профессионального джаза, его стилистики). Не будучи революционером или радикальным экспериментатором в области свинга, Дорси, однако, по праву входит в число основоположников классического свингового стиля. Ему удалось привести к общему знаменателю и реализовать в ограниченной, хорошо сбалансированной и технически совершенной форме совокупность наиболее значимых стилевых идей джаза предшествующего исторического периода, а также, что весьма примечательно, обогатить ими американскую популярную музыку, таким образом, сделать их доступными для широкой массовой аудитории. Базой для такого синтеза послужили традиции диксиленда и чикагского стиля (в 20-е годы Дорси активно сотрудничал с самыми яркими новаторами этих направлений — Бейдербеком, Венути, Лангом и музыкантами из их окружения), канзасской (Бенни Моутен/«Каунт» Бейси) и нью-йоркской (Ф. Хендерсон/Бенни Картер) школ негритянского свинга, симфонизированной коммерческой популярной свит-музыки больших оркестров (Уайтмен/Голдкет), раннего «белого» коммерциализированного биг-бэнд-свинга (Бен Поллак/CASA LOMA ORCHESTRA). Раньше многих других белых бэндлидеров Т. Дорси (вместе с братом) завершил формирование полностью развитого биг-бэндового состава оркестра (к 1943, несколько опередив Б. Гудмена, создавшего в этом же году свой биг-бэнд и начавшего с ним восхождение к славе). По известности и популярности его оркестр не уступал в 30—40-е годы всем остальным биг-бэндам (включая оркестр Гудмена), хотя и не всегда превосходил их пышностью аранжировок и виртуозным блеском; для многих ведущих бэндлидеров этого периода он оставался образцом (например, для Арти Шоу, Г. Миллера, Гарри Джеймса и других). Вместе с тем, оркестр Дорси оказался одним из наиболее жизнеспособных, тогда как многие другие, в том числе биг-бэнды Гудмена, Джеймса, Картера, Тигардена к 1946 уже прекратили существование в связи с кризисом свинга. Еще одна важная область творческих интересов Т. Дорси — популяризация биг-бэндовой разновидности буги-вуги в специфически свинговой интерпретации; он является одним из пионеров данного направления (биг-бэнд-буги, буги-ин-свинг) наряду с Бобом Кросби и «Каунтом» Бейси. Автор ряда композиций и аранжировок в духе буги-свинга. Одним из первых (среди белых руководителей оркестров) сделал неотъемлемой принадлежностью биг-бэнда сольные импровизации. Выступавших с ним вокалистов побуждал к введению элементов импровизации в исполнение, к применению скэт-техники, включал в репертуар отдельные номера с использованием искусственно сконструированных слоговых сочетаний комического характера (так называемые нонсенс-сонги). Работал с комбо — преимущественно в русле диксиленд-джаза (привнес в него принцип свингования). Как тромбонист, испытал влияние «Мифа» Моула, постепенно выработал индивидуальную исполнительскую манеру — достаточно техничную и при этом отличающуюся особой элегантностью, изяществом мелодической пластики, чистотой интонации, мягким легатным звуковедением (в духе свит- и кул-саунда), пристрастием к высоким регистрам и к более подвижной, беглой игре в импровизации, а также почти полным отсутствием глиссандо и граул-эффектов (характерным для негритянских джазменов). В 30-е годы получил прозвище «сентиментальный джентльмен свинга». Оказал влияние на некоторых современных тромбонистов (в частности, на Урби Грина).