Figlio d'arte, il papà André è stato professionista dal 1979 al 1984, inizia a correre a 14 anni e a 16, da juniores è nell'orbita della nazionale belga. Nelle categorie giovanili corre sempre nella Groeninge Spurters di Courtrai. Conquista 16 vittorie da juniores, poi l'incontro con Dirk Demol è decisivo. Demol lo seguirà fino al passaggio al professionismo nella Us Postal.
Tom si fa subito notare nelle classiche. Al primo anno da dilettante, il 1999, vince una gara ed è sesto nella Parigi-Roubaix. Nel 2000 conquista 8 vittorie tra cui la Parigi-Tours ed è terzo nella Roubaix. Nel 2001, ultimo anno tra i dilettanti, vince dieci gare tra cui il campionato nazionale ed è quarto nella Parigi-Roubaix.
Passa professionista nel 2002 nella squadra di Lance Armstrong e si mette subito in evidenza. Dopo il sesto posto al Classic Haribo, terza corsa della stagione, ad aprile infila un settimo posto alla Tre Giorni di La Panne, un 24° al Fiandre, un altro 7° alla Gand e poi il terzo posto alla Roubaix.
Con la Us Postal vince la cronosquadre del Giro di Catalogna mentre il primo successo individuale lo conquista l'11 luglio in Austria, nella seconda tappa dell'Uniqa Classic. A fine stagione divorzia dal team americano e passa alla Quick Step.
Il 2003 è un anno transitorio; centra un solo successo in una tappa del Giro del Belgio ma è un anno fondamentale per la sua maturazione. Prende consapevolezza della sua forza e nel 2004 comincia a mantenere le promesse: 22 corse conquistate, plurivincitore stagionale alle spalle di Petacchi e, tra queste, la Gand Wevelgem e due tappe al Tour, compresa la passerella sui Campi Elisi. Ma a una simile forza della natura si può chiedere da subito qualcosa di più: almeno secondo Museew che, al momento del ritiro, lo indica come il nuovo fenomeno per le classiche del Nord. Il 2005 riprende nel segno della vittoria con due tappe alla Parigi-Nizza. Alla Sanremo si propone come l'antiPetacchi, ma sarà solo nono. La delusione è cocente ma non c'è tempo per abbattersi: il Nord lo attende. Prima c'è il Giro delle Fiandre: a 30 km dall'arrivo vanno via in sei: due tedeschi della T-Mobile, Zabel e Klier, due italiani, Ballan e Petito, e due fiamminghi, lui e Van Petegem. In volata non ci sarebbe storia ma Boonen sta talmente bene che dopo il Bosberg pianta lì tutti e va a vincere per distacco. Da ottimo velocista si è già trasformato in qualcosa di più. Passa una settimana e, dopo una Gand Wevelgem corsa al risparmio, lo attende la gara più amata, la Roubaix. Questa volta sono in cinque: oltre a Boonen, in condizione eccezionale, il vincitore dell'anno precedente Backstedt, lo spagnolo Flecha, l'americano Hincapie e Michaelsen. Dopo il massacrante Carrefour de l'Arbre restano in gioco i tre più forti, Flecha, Hincapie e il fiammingo, ma al Velodromo di Roubaix, allo sprint, Boonen fulmina i compagni d'avventura e centra apparentemente senza difficoltà una doppietta riuscita a soli altri 7 corridori nella storia. Scoppia quindi il fenomeno Boonen, le fan in Belgio impazziscono per quel ragazzo dall'aria mite ma risoluta. Dopo un meritato riposo si ripresenta al Tour e s'impone subito in due tappe, rigorosamente in volata, eguagliando i successi del 2004. Poi deve fare i conti con McEwen, che lo batte in almeno due occasioni, prima che una caduta lo costringa al ritiro. Da quel momento poco o nulla, tanto che una Vuelta corsa apparentemente sottotono induce a farlo partire in seconda fila nell'immaginaria griglia dei favoriti per il titolo iridato. Ma Madrid lo vede trionfare e riportare in Belgio un mondiale dopo 9 anni (1996 Museeuw); un Fiandre, una Roubaix, due tappe al Tour, un Mondiale, 25 anni da compiere a ottobre e un carattere che non conosce il peso delle responsabilità.
La stagione 2005 si chiude con il titolo mondiale infatti Tom a fine settembre si opera allo stomaco per risolvere alcuni problemi intestinali. Lo rivedremo nel 2006 con la maglia iridata.