Nació en Licata, Sicilia, diócesis de Agrigento, el dia 12 de septiembre de 1649, hijo primogénito de Julio Tomasi y de Rosalía Traina, Príncipes de Lampedusa y Duques de Palma de Montechiaro. Su vida estuvo orientada hacia Dios ya desde sus primeros años. Formado y educado en la noble casa paterna, en la que no faltaban ni riquezas ni virtudes, dio prueba de un espíritu muy dispuesto al estudio y a la piedad. Así pues sus padres cuidaron con esmero su formación cristiana y su instrucción en las lenguas clásicas y modernas, especialmente en la lengua española, en cuanto destinado por la familia a la corte de Madrid, debiendo heredar de su padre, por sus títulos nobiliarios, la dignidad de Grande de España.
Después de haber renunciado, mediante documento notarial, al principado que le pertenecía por herencia, y al riquísimo patrimonio familiar, entró en la Orden de Clérigos Regulares Teatinos, fundada por S. Cayetano de Thiene en el año 1524. Emitió la profesión religiosa en la casa teatina de S. José de Palermo el día 25 de marzo de 1666. En el nuevo estado de vida, que abrazó para seguir la llamada de Cristo, pudo dedicarse mejor a la piedad y al estudio. La sagrada liturgia lo había atraído desde niño. El canto gregoriano floreció muy tempranamente en sus labios, que exultaban de alegría al cantar los salmos litúrgicos. Desde su adolescencia conoció y apreció, como por innata disposición, las lenguas sagradas latina y griega.
Cursó los estudios filosóficos en Mesina, Ferrara, Bolonia y Modena; obligado a esos desplazamientos por motivos de salud. La teología la estudió en Roma, y allí, después de haber recibido el subdiaconado y diaconado, fue ordenado sacerdote en la Basílica Lateranense el día 23 de diciembre de 1673, el sábado de las témporas de Adviento. Dos días más tarde, en la noche de Navidad, celebraba su primera misa en la iglesia de S. Silvestre en el Quirinal, sede entonces de la Casa Generalicia de los Padres Teatinos. La unción sacerdotal pareció que incardinaba definitivamente al P. Tomasi en Roma y que le daba la ciudadanía romana. Aquí, en la casa de S. Silvestre en el Quirinal, durante casi cuarenta años a partir de la ordenación, se dedicará con fecunda intensidad a la piedad, al ejercicio humilde y perseverante de las virtudes y al estudio asiduo. Al conocimiento del latín y griego, que adquirió en la adolescencia, añade ahora el de las lenguas hebrea, siríaca, caldea y árabe.
Transportado por su eximio amor a los documentos antiguos de la Iglesia y a las sanas tradiciones eclesiásticas, reputó que el dedicarse, con espíritu de fe, a la publicación de raros libros litúrgicos y de antiguos textos de la sagrada Litúrgia, podía ser un buen camino para su perfección religiosa.
De esa forma consiguió sacar a la luz muchos sagrados tesoros que yacían olvidados en las bibliotecas. De hecho, gracias a su multíplice ciencia de las cosas sagradas, editó muchos volúmenes de argumentos bíblicos, patrísticos y principalmente litúrgicos. De estas sea suficiente mencionar: Codices Sacramentorum nongentis annis vetustiores (editado el año 1680); la edición crítica del Salterio en su doble versión romana y galicana: los Antifonarios y Responsoriales de la Iglesia Romana que estaban en uso en tiempos de S. Gregorio Magno (editados en 1686); la edición crítica de los títulos y argumentos de la Sagrada Bíblia según los códices del siglo V al siglo XI (publicada en 1688).
Por su vasta erudición y por sus excelentes y bien conocidas virtudes, el P. Tomasi gozaba de tal fama y estima que eran muchos los que buscaban su conocimiento y amistad y se honraban con ellos. La Reina de Suecia Cristina Alejandra, lo quiso entre los miembros que ornaban su círculo de doctos. La Academia Romana de la Arcadia lo enumeró entre sus socios más ilustres. El docto Rabino de la Sinagoga de Roma, Moisés Cave, que fue convertido al catolicismo por el P. Tomasi, discípulo suyo en la lengua hebrea, lo consideraba amigo y padre en la fe.
Sin embargo, cuanto mayores eran las alabanzas que le tributaban sus contemporaneos, tanto más procuraba permanecer escondido, hasta el punto de publicar, por humildad, alguna de sus obras bajo pseudónimo. El estar en relación con personas importantes y eruditas de su mismo rango, no le impidió a Tomasi dedicar su atención a la formación de los simples fieles para los que compuso: Vera norma di glorificare Iddio e di far Orazione secondo la dottrina delle divine Scriture e dei Santi Padri, y también Breve istruzione del modo di assistere fruttuosamente al Santo Sacrificio della Messa, y además una versión reducida de Salmos elegidos y dispuestos para facilitar la oración del cristiano.
Fue nombrado Consultor General de su Orden pero, por humildad, renunció al poco tiempo a tal encargo aduciendo como motivo las muchas otras ocupaciones por los encargos que ya tenía en la Curia Romana, entre los cuales, Consultor de las Sagradas Congregaciones de Ritos y de Indulgencias, y Calificador del Santo Oficio. Sus numerosas publicaciones de argumento litúrgico, en las que hermanaba la piedad y la erudición, le granjearon el título de "Príncipe de los Liturgistas Romanos" y el de "Doctor Liturgicus" con los que lo denominaban algunos de sus contemporaneos.
Todas sus fatigas y premuras en la investigación y en el estudio, no desviaron mínimamente al P. Tomasi de tender, constantemente y con todas sus fuerzas, a la conquista de aquella perfección evangélica a la que Dios lo había llamado desde su infancia. Era de ejemplo para los demás por su profunda humildad, su espíritu de mortificación y sacrificio, su fiel observancia regular, su mansedumbre, su pobreza, su piedad, su devoción filial a la Santísima Virgen María. Ayudaba a los pobres, confortaba a los enfermos, tanto en casa como en el hospital de S. Juan de Letrán. De este modo se unían armoniosamente en él la sabiduría y la caridad.
Clemente XI, que conocía personalmente al P. Tomasi y admiraba sus eximias virtudes y la difundida fama de su doctrina, lo nombró Cardenal del Título de los Santos Silvestre y Martín al Monti, en el Consistorio del 18 de mayo de 1712. Aceptó el cardenalato solamente por obediencia al mandato explícito del Papa. Colocado en ese sublime grado, como lámpara en el candelabro, iluminó con el resplandor de sus virtudes de tal forma la Iglesia Romana, que muchos lo veneraban como un nuevo S. Carlos Borromeo, al que se había propuesto imitar.
Unió a la dignidad cardenalicia todas aquellas virtudes que lo habían distinguido como religioso teatino; no mutó lo más mínimo su precedente regla de vida. Para su corte y para el servicio de su casa eligió, por motivos de caridad, personas pobres, débiles, claudicantes y con otras deficiencias físicas. En su Iglesia Titular de los Santos Silvestre y Martín al Monti, no sólo participaba, con los clérigos de su familia, a las celebraciones litúrgicas de los Padres Carmelitas, sino que también se dedicaba a enseñar a los niños y demás fieles el catecismo de la doctrina cristiana.
Pero tamaño resplandor de buen ejemplo y de virtudes brilló por poco tiempo. No se habían cumplido ocho meses de su cardenalato, cuando después de haber tomado parte a la Capilla Papal de la Vigilia de Navidad en la Basílica Vaticana, atacado por violenta pulmonía, expiraba santamente en su residencia del palacio Passarini de via Panisperna. Era el día 1 de enero de 1713. El primer panegírico del Cardenal Tomasi lo pronunciaba el mismo Papa Clemente XI en el Consistorio celebrado un mes después de su tránsito. "No podemos disimular -dijo el Papa- el íntimo dolor que nos ha producido la muerte del eximio y piadosísimo Cardenal Tomasi ... Auténtico ejemplar de la más santa y antigua disciplina, y de cuyas virtudes y doctrina tanto nos esperabamos todavía".
La fama de santidad que durante la vida acompañó al Cardenal Tomas¡, creció aún más después de su muerte. Por eso, después de solo cinco meses de su piadoso tránsito, se empezó, por deseo de Celemente XI, el Proceso Canónico Ordinario Informativo para su Beatificación. Después de haber superado vicisitudes y dificultades de diverso tipo, Pío VII, aprobados dos milagros atribuidos a la intercesión del Ven. Cardenal Tomasi, lo proclamó Beato el día 29 de septiembre de 1803.
Un nuevo milagro, atribuido a la intercesión del Beato José María Tomasi, fue aprobado, con decreto del 6 de julio de 1985, por el Santo Padre Juan Pablo II, para su Canonización. Las reliquias de su cuerpo fueron trasladadas en el año 1971 desde la Basílica de su título, Santos Silvestre y Martín ai Monti, a la Basílica de S. Andrea della Valle de los Padres Teatinos, donde actualmente están expuestas a la veneración de los fieles. Fue canonizado el 12 de octubre de 1986 en la Basílica de San Pedro.