1964'te İtalyan kökenli bir ailenin çocuğu olarak New York'ta doğdu ve Brooklyn'de büyüdü. Üniversite yıllarıyla beraber filmlerde küçük roller almaya başladı. 1991 yapımı 'Oscar' filminde Sylvester Stallone'nin kızı olarak perdede gözüktükten sonra 'Kuzenim Vinny' filmi ile En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu dalında Oscar'a ulaştı. Beklenmedik başarısının ardından 'Chaplin' ve 'Saraybosna'ya Hoşgeldiniz' gibi sıradışı yapımlarda rol aldı.
2000'li yıllarda Kadınlar Ne İster (2000), In The Bedroom (2001), Asabiyim (2004) gibi filmlerde rol aldı. 2008'de Darren Aronofsky'nin Şampiyon (The Wrestler) filmindeki striptizci Pam rolüyle olumlu eleştiriler alan Tomei, En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu dalında Oscar'a aday gösterildi. 2017 yapımı Örümcek Adam: Eve Dönüş filminde May Hala rolünde oynadı.