Thomas Arthur Darvill urodził się 17 czerwca 1982 w Birmingham w Anglii, (Wielka Brytania).
Jego matka była aktorką teatralną, pracowała także z kukiełkami oraz maskami. Jego ojciec był organistą.
W latach 1993-2000 uczęszczał do Bromsgrove School w Worcestershire.
Rozpoczął grę w teatrze młodocianych aktorów w wieku 10 lat. W 2001 r. założył własną firmę teatralną, zaś w wieku 18 lat rozpoczął naukę w Royal Academy of Dramatic Art.
Zagrał w wielu teatralnych sztukach. Za jedną z ról otrzymał w 2007 r. nominację do nagrody Evening Standard Theatre Awards w kategorii "Najlepszy debiutant".
W 2008 r. zadebiutował w telewizji rolą w serialu kryminalnym stacji ITV - "He Kills Coppers", po czym pojawił się jako Edward "Tip" Dorrit w serialu "Little Dorrit".
W latach 2010-2012 grał postać Rory'ego Williamsa w "Doktorze Who". Ta rola przyniosła mu największą popularność.
Arthur działa również na polu muzycznym - pisał piosenki dla Bush Theatre oraz skomponował ścieżkę dźwiękową dla sztuki "Frontline" w reżyserii Che Walkera w Globe Theatre. Gra na gitarze i keyboardzie oraz jest założycielem zespołu Edmund, nazwanym po Edmundzie Pevensiem z "Opowieści z Narnii: Lew, czarownica i stara szafa". Użyczył także swojego głosu w audiobookach i sztukach radiowych.