Karierę w sporcie żużlowym (wcześniej startował w zawodach motocrossowych i wyścigach motocyklowych) rozpoczął w 1988 r. w Polonii Bydgoszcz, z którą - poza rocznym epizodem w Wybrzeżu Gdańsk(1989 rok, na czas służby wojskowej) - był związany do 2003 roku.
W finale indywidualnych mistrzostw świata na żużlu po raz pierwszy występował w 1993 roku. Po zmianie systemu rozgrywania mistrzostw wygrał pierwszy w historii turniej Grand Prix, który odbył się we Wrocławiu 20 maja 1995. Od tego czasu nieprzerwanie jest zawodnikiem uczestniczącym w cyklu, z wyjątkiem sezonu 1996, kiedy startował z dziką kartą w 3 turniejach. W 2010 wywalczył złoty medal, a w 1999 i 2009 zdobył srebrny medal mistrzostw świata, ponadto ma na koncie cztery medale brązowe (1997, 1998, 2001 i 2008). W dorobku ma również pięć złotych medali 1996, 2005, 2007, 2009 i 2010 oraz cztery srebrne 1994, 1997, 2001 i 2008 z mistrzostw świata w drużynie (wraz z DPŚ).
W latach 1992–1995 oraz 2001–2002, 2006 i 2009 zdobywał złote medale indywidualnych mistrzostw Polski, w karierze ponadto wywalczył pięć srebrnych (1998, 1999, 2003, 2005, 2007) i trzy brązowe (1989,1990, 1997) medale tych rozgrywek. Jako junior trzykrotnie z rzędu zdobył tytuł młodzieżowego mistrza Polski (w latach 1990–1992). W 2004 i 2005 roku zdobył tytuły drużynowego mistrza Polski z zespołemUnii Tarnów. W 1999 wygrał Plebiscyt Przeglądu Sportowego na najlepszego sportowca Polski. Mimo zmiany barw klubowych cały czas mieszka z rodziną w Bydgoszczy, w dzielnicy Miedzyń.
W 16. sezonie Grand Prix IMŚ, w roku 2010 Tomasz Gollob - jako drugi Polak w historii - został indywidualnym mistrzem świata. Tytuł zapewnił sobie w przedostatnim turnieju we włoskim Terenzano. Tomasz Gollob zdobył tam 22 punkty wygrywając sześć z siedmiu biegów (w swoim pierwszym biegu był trzeci). W finale pokonał Chrisa Harrisa, Grega Hancocka i Nickiego Pedersena. Wcześniej Polak wygrał trzy rundy (GP Czech, GP Polski i GP Nordyckie w Danii), dwukrotnie zajmował drugie miejsce (GP Szwecji i GP Danii) oraz raz był trzeci (GP Skandynawii w Szwecji). Tylko w pierwszym turnieju o GP Europy w Lesznie Polak nie znalazł się w pierwszej ósemce turnieju.
10 czerwca 2007 r. Tomasz Gollob przeżył wypadek lotniczy. Awionetka, którą podróżowali na mecz rozbiła się po nieudanej próbie lądowania na lotnisku sportowym w Tarnowie, u podnóża góry św. Marcina. Na pokładzie znajdowali się również Rune Holta (żużlowiec Unii Tarnów) oraz mechanik Golloba, Wojciech Malak. Najcięższych obrażeń doznał Władysław Gollob (ojciec Tomasza), który pilotował wspomnianą awionetkę – złamanie obojczyka oraz kości podudzia. Przyczyną wypadku była prawdopodobnie próba lądowania awionetką na zbyt małym lotnisku, nieprzystosowanym dla maszyn o takiej wadze. Prokuratura ustaliła, że w niedzielę lądowisko było zamknięte i nikt z obsługi nie był przygotowany na lądowanie jakiegokolwiek samolotu. Urząd Lotnictwa Cywilnego potwierdził także, że lądowisko w Tarnowie nie jest w ogóle wpisane do rejestru lądowisk.
Znanym żużlowcem był także jego starszy brat - Jacek Gollob (ur. 1969).
Tomasz Gollob z żoną Brygidą ma jedną córkę – Wiktorię.
