Licenciado en Filosofía, Tomàs Llorens fue profesor de Estética en la Escuela de Arquitectura de Valencia entre 1969 y 1972. Desde entonces y hasta 1984, enseñó Teoría e Historia de la Arquitectura Moderna en la Escuela de Arquitectura del Portsmouth Polytechnic (UK). Tras volver a España en 1984, ejerció de Director General de Patrimonio Artístico en la Generalitat Valenciana.

Llorens fue el primer Director del IVAM (1986-1988) y del MNCARS (1988-1990) y, a continuación, Conservador Jefe del Museo Thyssen Bornemisza de Madrid (1990-2005). Entre 1996 y 2005 simultaneó el trabajo museístico con la enseñanza a tiempo parcial en las Universidades de Girona y Alicante.

A lo largo de su carrera, ha publicado más doscientos artículos en revistas y catálogos de exposiciones sobre Estética, Teoría del Arte e Historia del Arte del siglo XX.
Ha sido comisario de unas sesenta exposiciones, la última de las cuales, Miró: Tierra, se presentó en 2008 en Ferrara y, a continuación, en el Museo Thyssen-Bornemisza de Madrid.