Thomas Baptist Morello est né à New York et a grandi dans l'Illinois. Sa mère, Mary Morello, est d'origine italienne et irlandaise, et fondatrice de Parents For Rock and Rap, groupe anti-censure. Son père est Kenyan et a pris part, aux côtés des Mau-Mau, à la lutte contre les colons britanniques au Kenya. Le grand-oncle de Tom, Jomo Kenyatta, a été le premier président élu du Kenya. Tom Morello a un diplôme en sciences politiques, obtenu en 1986 à l'université d'Harvard. Il travaille alors dans « la machine » comme assistant au gouverneur, poste qu'il quitte bien assez vite.
Il a tout d'abord fréquenté l'école primaire de Libertyville où une jeune fille l'insultera en le traitant de nègre. Sa vision est ainsi troublée et c'est sa mère qui lui parla de Malcolm X. Selon l'histoire, la même fillette répéta ses insultes. Tom réagira par un violent retour autant verbal que physique. Cette expérience l'a sans doute poussé à s'intéresser plus à la politique et aux injustices.
Tom Morello débuta sa carrière au sein du groupe Lock Up, il participa à l'album Something Bitchin This Way Come (1989).
Tom Morello rencontre Zack de la Rocha et, frappé par le message de ses paroles, décide de former un groupe avec lui. Zack contacta un vieil ami bassiste, Tim Commerford et ils engagèrent le batteur Brad Wilk. Rage Against The Machine était né.
Tom Morello se fait connaître grâce à Rage Against the Machine qui connait un succès fulgurant.
Après que Zack de la Rocha ait quitté Rage Against the Machine, le reste du groupe (Tom Morello, Tim Commerford et Brad Wilk) décide une rencontre avec l'ancien chanteur de Soundgarden, Chris Cornell suite à une suggestion du producteur
Rick Rubin, afin de jouer ensemble lors d'une rencontre improvisée. Le groupe est appelé une première fois Civilian, finalement changé en Audioslave. Il s'en suivra alors près de trois albums sortis avec le groupe. Mais en 2007, Rage Against The Machine se reforme et Tom Morello est de nouveau le guitariste de ce groupe mythique.
Tom Morello a annoncé en mars 2009 avoir fondé un nouveau groupe avec le rappeur Boots Riley, intitulé Street Sweeper Social Club. L'album est sorti le 16 juin 2009.
Morello est aussi co-fondateur de Axis of Justice (avec Serj Tankian, chanteur de System of a down), une organisation sans but lucratif et une émission de radio militante, qui a été accompagnée de concerts regroupant de nombreux artistes dans les mois qui ont précédé la campagne électorale américaine de 2004 pour s'insurger contre la politique de
George W. Bush. Inspiré par des oeuvres de Che Guevara, George Orwell et Mumia Abu-Jamal entre autres, l'organisation travaille depuis sa création sur l'amélioration des droits des immigrants ainsi que sur l'abolition de la peine de mort à travers le monde.
Tom Morello a également sorti son album solo One Man Revolution sous le pseudo de The Nightwatchman le 24 avril 2007.
Tom Morello a également sorti un deuxième album solo "The Fabled City" sous le pseudo the "The Nightwatchman" le 6 octobre 2008. Serj Tankian, le chanteur du groupe "System of a Down", a participé à l'enregistrement de cet album en faisant les voix secondaires.
Morello a travaillé avec The Crystal Method sur leur album de 2001, Tweekend. Il a co-produit et joué sur "Name of the Game" et sur "Wild, Sweet and Cool".
Morello a produit l'album d'Anti-Flag de 2003, The Terror State. Il a joué avec Anti-Flag dans certains de leurs concerts.
Morello a joué sur le single "No Man Army" de The Prodigy, publié dans le single de "Smack My Bitch Up". Il s'agit de la version instrumentale de la musique "One Man Army", que l'on peut entendre dans la bande originale du film "Spawn".
Morello apparait sur scène avec Tool lors de leur concert au Bonnaroo Music and Art Festival de 2007, il joue lors de la musique "Lateralus".
Morello a été "assistant guitare électrique" dans le film
Iron Man (2008) ; il a aussi joué le rôle du premier terroriste tué, lors de la scène dans le souterrain des rebelles.
En 2010, Morello participe aux titres Shut 'Em Down et Rise Up de l'album Rise Up du groupe Cypress Hill.