Urodzony w Fuenllana w Hiszpanii w 1488 roku, Thomas spędził dzieciństwo w Villanueva de los Infantes, od którego pochodzi jego nazwisko. Jego rodzice, młynarze, byli znani ze swoich działań charytatywnych, które wywarły głęboki wpływ na Tomasza od najmłodszych lat. Zdobył wyższe wykształcenie na Uniwersytecie w Alcalá, gdzie osiągnął doskonałe wyniki, uzyskując stopień naukowy z teologii i stając się popularnym profesorem filozofii, sztuki i logiki. Pomimo sukcesów akademickich, odrzucił prestiżową profesurę na Uniwersytecie w Salamance, decydując się zamiast tego na dołączenie do augustianów w Salamance w 1516 roku, składając śluby w 1517 roku i przyjmując święcenia kapłańskie w 1518 roku.

Odegrał kluczową rolę w wysłaniu pierwszych augustiańskich misjonarzy do Nowego Świata, a konkretnie do Meksyku, w 1533 r., promując zarówno studia, jak i misje w zakonie. W 1544 r., po początkowym odrzuceniu arcybiskupstwa Granady, Thomas został mianowany arcybiskupem Walencji. Niechętnie przyjął to stanowisko w 1545 roku.

Ustanowił programy, w ramach których fundusze od bogatych wspierały biednych, a swój własny dom przekształcił w kuchnię i schronisko, karmiąc setki osób dziennie.

Thomas zmarł 8 września 1555 r. w Walencji w wieku 67 lat na anginę. Został kanonizowany przez papieża Aleksandra VII 1 listopada 1658 roku. Jego liturgiczne święto obchodzone jest 22 września. Święty Tomasz z Villanova jest patronem Uniwersytetu Villanova w Pensylwanii, a także innych instytucji edukacyjnych i parafii nazwanych na jego cześć.