Als Sohn einer Lehrerin und eines BBC-Produzenten wird er im Norden von London geboren und besucht die Royal Academy of Dramatic Art. Er trainiert seine Fähigkeiten in der britischen Improvisationstruppe Spontaneity Shop. Erste Schritte vor der Kamera macht er in Fernsehfilmen und Serien, unter anderem in der Dramaserie Casualty.
Bekannt wird er als Marcus Junius Brutus in der preisträchtigen HBO/BBC-Serie Rome.
2006 ergattert er die Rolle des Villiers in dem James Bond-Film „Casino Royale“.
Als Edmure Tully schaut er für einige Episoden in der Erfolgsserie Game of Thrones vorbei.
2014 übernimmt er eine Hauptrolle in einem weiteren Erfolg, der Starz-Serie Outlander.
Privat trainiert sich Tobias Menzies im Fechten.