Thomas Arthur Darvill nació el 17 de junio de 1982 en Birmingham, West Midlands, Inglaterra, Reino Unido. Asistió a la escuela Bromsgrove en Worcestershire de 1993 a 2000.

Darvill se unió a Stage2 Youth Theatre Company a la edad de 10 años. Fue miembro de 1991 a 2000 y trabajó en CITV en 2000, presentando los enlaces de continuidad entre los shows; durante este tiempo se le conoció como Tom Darvill. En 2001, fundó su propia compañía teatral llamada Fuego's Men.

Se mudó a Londres después de haber asegurado un lugar en una escuela de arte dramático y se formó en la actuación en la Real Academia de Arte Dramático. Ahí entrenó en el combate teatral. Hizo su debut en el escenario profesional interpretando al criminal condenado Harrison en Terre Haute de Edmund White, que se presentó en los Assembly Rooms durante el Fringe Festival de Edimburgo. Su actuación fue alabada por la crítica especializada.

Más tarde ese mismo año, apareció en la producción de Nadando con tiburones del Vaudeville Theatre con Christian Slater, Helen Baxendale y Matt Smith, y que le valió una nominación al premio London Newcomer Award.

Darvill comenzó a interpretar a Rory Williams, compañero del Undécimo Doctor, en la quinta serie del programa de ciencia ficción de la BBC, Doctor Who (reuniéndose con Matt Smith, su coprotagonista de Nadando con tiburones). Tras su salida de Doctor Who fue elegido para el drama Broadchurch como el vicario Paul Coates, junto a David Tennant (quien más tarde se convertiría también en El Doctor) y Olivia Colman.

En marzo de 2015, se anunció que Darvill había sido elegido como el viajero en el tiempo Rip Hunter en la serie Legends of Tomorrow.

Darvill es también músico y compositor. Ha proporcionado música original para espectáculos que incluyen Artefacts de Mike Bartlett (2007) y The Frontline de Che Walker (2008).