Ծնվել է 1864թ. մարտի 18-ին Արեմտյան Հայաստանի Շապին Գարահիսար քաղաքում, վախճանվել է 1934թ. մարտի 1-ին Երևանում:
Վաղ հասակում զրկվելով ծնողներից` 1884թ. Թ.Թորամանյանը մեկնել է Կ.Պ ոլիս և զբազվել քարգործությամբ ու հյուսնությամբ: Նրան հաջողվել է աշխատանքի անցնել հայտնի ճարտարապետ Սարգիս Պալյանի մոտ և վերջինիս աջակցությամբ 1888-1893թթ. սովորել Կ.Պոլսի Կայսերական գեղարվեստից վարժարանի ճարտարապետական բաժանմունքում:
Մասնագիտական կրթությունն ավարտելուց հետո որպես ճարտարապետ աշխատել է Կ.Պոլսում: 1895թ. համիդյան ջարդերից մազապուրծ` ապաստանել է Բnւլղարիայում և 1900թ. տեղափոխվել Ռումինիայի Գալաց քաղաք: Այդ տարիներին Թ.Թորամանյանը նախագծել և կառուցել է մի շարք բնակելի ու հասարակական շենքեր: Միաժամանակ զբաղվել է ճարտարապետության պատմության ու տեսության հարցերով և այդ նպատակով 1900-1902թթ. շրջագայել մի շարք երկրներում, ի վերջո հաստատվել Փարիզում: Սորբոնի համալսարանում լսել է դասախոսություններ,բանասեր Կ.Բասմաջյանի հետ մշակել Անին հետազոտելու ծրագիր:
1903թ. Թ .Թորամանյանը եկել է Անի և նյութական ծանրագույն պայմաններում սկսել հայ ճարտարապետության ուսումնասիրությունը: 1904թ. գարնանը Զվարթնոցում ղեկավարել է վարդապետ Խաչիկ Ղադյանի ձեռնարկած պեղումները, իսկ ամռանը վերադարձել Անի, մասնակցել Ն.Մառի ղեկավարած հնագիտական արշավախմբի աշխատանքներին:
Թ.Թորամանյանը մշակել է Անիի մի շարք կիսականգուն և ավերակ հուշարձանների վերակազմության նախագծերը, գրել դրանց պատմությունն ու պատրաստել հրատարակության :
Թ .Թորամանյանը տարիներ շարունակ զբադվել է Զվարթնոցի տաճարի ուսումնասիրությամբ ու վերակազմությամբ:
Անիին և Զվարթնոցին վերաբերող ուսումնասիրությունների զգալի մասը Թ.Թորամանյանը պարբերաբար հրատարակել է 1905-1913թթ.: Այդ աշխատություններում նա բացահայտել է հայ միջնադարյան ճարտարապետության (4-14֊րգ դդ.) զարգացման հիմնական փուլերը, անժխտելի փաստերով ապացուցել հայկական ճարտարապետության ինքնուրույնությունը և նրա ձևերի ու լուծումների ազգեցությունը մի շարք երկրների ճարտարապետական դպրոցների վրա:
1924թ. ԵՊՀ-֊ում բացվել է տեխնիկական (հետագայում` շինարարական) ֆակուլտետ, որտեղ դասավանդելու է հրավիրվել նաև Թ.Թորամանյանը: Նա մշակել և կարդացել է «ճարտարապետության պատմություն» դասընթացը:
Հսկայական է Թ.Թորամանյանի դերը հայ ժողովրդի նյութական և հոգևոր մշակույթի ուսումնասիրության բնագավառում:
Նա ոչ միայն միջազգային ճանաչման աստիճանի բարձրացրեց մեր պատմական ճարտարապետությունը, այլև չափագրելով ու փաստագրելով բազմաթիվ հուշարձաններ` փաստորեն դրանք փրկեց կորստից:
1942-1948թթ. երկու հատորով հրատարակվել է Թ.Թորամանյանի «Նյութեր հայկական ճարտարապետության պատմության» խորագրով աշխատությունր:
1933թ. Թ.Թորամանյանն արժանացել է ՀԽՍՀ գիտության վաստակավոր գործչի կոչման:
ՀԽՍՀ ԳԱ Նախագահությունը 1969թ. սահմանել է Թ.Թորամանյանի անվան հուշամեդալ: Թ.Թորամանյանի անունով է կոչվում Երևանի փողոցներից մեկը: