Començà estudiant trompeta, instrument que després canvià pel trombó. Al final dels anys vint treballà a les orquestres de Jean Goldkette i Paul Whiteman. El 1935 formà la seva pròpia orquestra, que de seguida fou molt popular. La Tommy Dorsey’s Orchestra practicava una música més aviat suau, pensada per al gran públic, i presentava excel·lents solos jazzístics de músics com Bunny Berigan i Buddy Rich, així com cantants, entre els quals hi hagué el jove Frank Sinatra.
El 1953 formà, amb el seu germà Jimmy (1904-57), clarinetista i també director d’orquestra, la Dorsey Brothers Orchestra, que assolí èxits remarcables sobretot per les seves intervencions televisives. Tots dos foren considerats com un dels millors exponents del jazz blanc de l’època swing.
Sense ser estrictament un músic de jazz, Dorsey fou admirat pels músics a causa del seu domini tècnic i la seva interpretació de temes lents, com ara I’m Getting Sentimental over you (1935).