Après des études de littérature à Harvard, Tommy Lee Jones s'installe à New York et se lance dans une carrière artistique. Au cours des années 70, il se produit dans les pièces "A patriot for me" (1969), "Four on a garden" (1971) ou encore "Blue boys" (1972). Pour sa première apparition au cinéma, il tient un rôle secondaire dans l'incontournable Love story (1970). Tommy Lee Jones met ensuite du temps à s'imposer. Rarement en tête d'affiche, ses performances n'en demeurent pas moins remarquées. Intrigant détective dans le thriller Les Yeux de Laura Mars (1978), il est le mari exemplaire de Sissy Spacek dans Nashville lady, sept fois nominé aux Oscars en 1980.

A partir des années 80, son visage buriné et son air autoritaire le cantonnent souvent dans des rôles inquiétants : politicien véreux dans Stormy monday (1986), espion à la solde de l'ennemi dans Opération crépuscule (1989) ou encore leader d'une organisation terroriste dans Piège en haute mer (1992). Les années 90 marquent un véritable tournant dans sa carrière. Ses prestations dans JFK (1991) et Le Fugitif (1993) lui valent une nomination puis un Oscar pour le Meilleur second rôle masculin. Fidèle à Oliver Stone, sous la direction de qui il tourne Entre ciel et terre (1993) et Tueurs nés (1994), il retrouve régulièrement ses rôles de prédilection : ceux de flics tenaces (US Marshals, Double jeu) ou de méchants caricaturaux (Blown away, Batman forever).

Désormais connu et reconnu par le grand public, Tommy Lee Jones devient le héros de grosses productions estivales : le film catastrophe Volcano (1997) et surtout Men in Black (id.), où il forme avec Will Smith un tandem d'agents très spéciaux. Le succès colossal de ce film mêlant comédie et science fiction donnera lieu à deux suites, l'une en 2002, l'autre en 2012. En 2000, Clint Eastwood lui offre une petite sortie dans l'espace avec Space Cowboys, et deux ans après, il retrouve William Friedkin, le réalisateur de L'Enfer du devoir, pour le thriller nerveux Traqué (2002). Du maniement du couteau à la pratique du tir à l'arc, il n'y a qu'un pas que franchit Tommy Lee Jones pour le western Les Disparues (2004) de Ron Howard.

Fort de cette expérience devant la caméra, il se lance dans la réalisation avec un téléfilm intitulé The Good Old Boys (1995) et un premier long métrage, Trois enterrements, présenté à Cannes en 2005. Ce coup d'essai est couronné de succès, puisque l'acteur-réalisateur repart de la Croisette auréolé du Prix du scénario et du Prix d'interprétation masculine. Fidèle à ses rôles de vieux flics de l'Amérique profonde (Garde rapprochée, No Country For Old Men, Dans la brume électrique) et de chefs militaires autoritaires (Captain America : First Avenger), Tommy Lee Jones continue à surprendre en livrant une prestation particulièrement émouvante dans Dans la vallée d'Elah (2007), drame sur les séquelles du conflit irakien signé Paul Haggis, ainsi que dans The Company Men, centré sur la manière dont trois anciens collègues font face à leur licenciement.

A l'approche des 70 ans, l'acteur poursuit sa carrière en jouant dans plusieurs films d'action, comme Malavita (2013), Criminal : Un espion dans la tête (2016), Jason Bourne (id.) et Le Flingueur 2 (id.). Tommy Lee Jones campe également deux grandes figures historiques, Thaddeus Stevens dans le Lincoln de Steven Spielberg et le Général Douglas MacArthur dans Crimes de guerre. C'est toutefois en tant que réalisateur qu'il se montre le plus créatif, avec le méconnu huis-clos The Sunset Limited où il donne la rélipque à Samuel L. Jackson et avec The Homesman, western féminin violent et réaliste où il partage l'affiche avec Hilary Swank.