Abitur 1955 in Stuttgart. 1955-1959 Studium der Rechtswissenschaften in Heidelberg und Montpellier. Erste Juristische Staatsprüfung 1959 in Heidelberg. 1960-1961 im Dienst des Gerichtshofs der Europäischen Gemeinschaften. 1965 Zweite Juristische Staatsprüfung in Stuttgart. 1966 – 1970 Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für ausländisches öffentliches Recht und Völkerrecht in Heidelberg. 1970 Habilitation in Heidelberg für die Fächer Völkerrecht (einschließlich Europarecht) sowie Staats- und Verwaltungsrecht. 1975 Berufung auf einen Lehrstuhl für Öffentliches Recht und Völkerrecht an der Rechts-und Staatswissenschaftlichen Fakultät der Universität Bonn. 1995 Berufung an die Juristische Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin. 

Tomuschat ist Ehrendoktor der Universität Zürich und der Universität Tartu (Estland). Er ist bzw. war Mitglied bedeutender Institutionen und Ausschüsse. Einige davon sind der Menschenrechtsausschuss nach dem Internationalen Pakt über bürgerliche und politische Rechte (1977-1986), die Internationale Juristenkommission, Genf (1981-1996), der Völkerrechtswissenschaftliche Beirat des Auswärtigen Amtes (1981-2006) und  die Völkerrechtskommission der Vereinten Nationen (1985-1996, 1992 Vorsitzender). 
Weitere internationale Ämter nahm er wahr als Berichterstatter der Menschenrechtskommission der Vereinten Nationen für die Menschenrechtslage in Guatemala (1990-1993), Vorsitzender der Deutschen Gesellschaft für Völkerrecht (1993-1997), Koordinator der Nationalen Wahrheitskommission, Guatemala (1997-1999), Richter am Verwaltungsgericht der Interamerikanischen Entwicklungsbank, Washington (1995-1997), Richter am Verwaltungsgericht der Afrikanischen Entwicklungsbank (von 1999 bis 2008), Berichterstatter für den Menschenrechtsrat der Vereinten Nationen betreffend das Follow-up zum Bericht über den Gaza-Krieg (2010).

Tomuschat wurde von der Universität Florenz im Jahre 2005 als „Protagonista della cultura giuridica Europea“ ausgezeichnet. Im Jahre 2012 erhielt er von der Ludwig Quidde Stiftung in Osnabrück den Ludwig-Quidde-Friedenspreis.

Er ist Mitglied der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften (seit 1995) und des Institut de Droit international (seit 1997). Von 2013-2019 war er Präsident des Schiedsgerichtshofs im Rahmen der OSZE.