S herectvím začal mezi ochotníky, v dětském souboru Větrník v Brandýse nad Labem, kde vyrůstal i chodil do školy a na gymnázium. Soubor, kde Tomáš Pavelka působil, se účastnil i respektovaných přehlídek amatérských souborů Jiráskův Hronov, Šrámkův Písek a Wolkerův Prostějov.
Profesionální dráha Tomáše Pavelky začala na DAMU (absolvoval 1994) a poté působil v Činoherním studiu v Ústí nad Labem, v pražském Činoherním klubu, v souboru CD 94 a pak zakotvil v pražském Švandově divadle.
Objevil se i před kamerou. Poprvé si Tomáš Pavelka zahrál již v jedenadvaceti letech ve filmu Růžový květ. Od té doby dostal role v desítkách dalších filmů. Z těch známějších připomeňme Milence a vrahy, Restart, Martu, Smrady nebo Václava.
Zahrál i v řadě seriálů, v nichž Tomáš Pavelka ztvárnil zejména epizodní role. Jmenujme např. Kriminálku Anděl, Redakci, Zdivočelou zemi, Cesty domů, Nevinné lži, Rapla, Bohému, Kapitána Exnera nebo Sever.
Tomáš Pavelka je ženatý. Manželka Klára Cibulková mu porodila syna Matyáše (*2007) a dceru Magdalenu (*2010). Z předchozího vztahu má herec ještě jednoho potomka.