Nacido en Fuenllana (España) en 1488, Tomás pasó su infancia en Villanueva de los Infantes, de donde deriva su apellido. Sus padres, molineros, eran conocidos por sus obras de caridad, que influyeron profundamente en Tomás desde su juventud. Cursó estudios superiores en la Universidad de Alcalá, donde destacó, licenciándose en Teología y convirtiéndose en un popular profesor de filosofía, artes y lógica. A pesar de su éxito académico, declinó una prestigiosa cátedra en la Universidad de Salamanca, eligiendo en su lugar unirse a los frailes agustinos en Salamanca en 1516, profesando sus votos en 1517 y siendo ordenado sacerdote en 1518.

Contribuyó decisivamente al envío de los primeros misioneros agustinos al Nuevo Mundo, concretamente a México, en 1533, promoviendo tanto los estudios como las misiones dentro de la Orden. En 1544, tras rechazar inicialmente el arzobispado de Granada, Tomás fue nombrado arzobispo de Valencia. Aceptó el cargo a regañadientes en 1545.

Estableció programas en los que los fondos de los ricos ayudarían a los pobres, y convirtió su propia casa en un comedor de beneficencia y refugio, alimentando a cientos de personas diariamente.

Tomás murió el 8 de septiembre de 1555 en Valencia, a los 67 años, tras sufrir una angina de pecho. Fue canonizado por el Papa Alejandro VII el 1 de noviembre de 1658. Su fiesta litúrgica se celebra el 22 de septiembre. Santo Tomás de Villanueva es el patrón de la Universidad de Villanova, en Pensilvania, entre otras instituciones educativas y parroquias que llevan su nombre.