Моммзен родился в семье провинциального пастора, талантливым юношей поступил на юридический факультет Кильского университета и в 1843 году завершил учёбу блестящей защитой докторской диссертации по римскому законодательству. Получив право на научную командировку, Моммзен 4 года путешествовал по Италии, изучая и копируя исторические источники, относящиеся к 1-му тысячелетию до н. э. По результатам исследований он опубликовал серию статей, что сделало его имя известным в научных кругах и позволило продолжать начатую работу. За несколько поездок Моммзен, сначала один, затем с друзьями и учениками, собрал, обработал и систематизировал более 100 тысяч документов по истории Древнего Рима — их издание началось в 1863 г. и разместилось в 20 томах. Возвратившись в 1848 году в Киль, Моммзен принял участие в восстании против датских властей так как Шлезвиг-Гольштейн тогда принадлежал Дании и был ранен во время уличного сражения. После подавления восстания оставаться в Киле было опасно, и Моммзен принял приглашение Лейпцигского университета. Однако в 1851 г. за повторное участие в политических выступлениях его лишили кафедры и запретили преподавание в Саксонии. 2 года Моммзен читал лекции в Цюрихском университете, затем в Бреслау. В 1858 г. он навсегда переселился в Берлин и возглавил в Университете Фридриха Вильгельма кафедру древней истории, однако продолжал заниматься одновременно политикой: в 1861—1866 гг. он был депутатом прусского ландтага, а в 1873—1879 — германского рейхстага. В то же время Моммзен многие годы был секретарём Берлинской академии наук и членом иностранных академий.