Tomomi Hayashi studierte Architektur an der Yokohama National University in Japan und an der Virginia Tech in den USA. Nach seinem Abschluss arbeitete er kurz für Maki and Associates in Tokio und Rafael Viñoly Architects in New York. In Zusammenarbeit mit Siiri Vallner und Indrek Peil gründete er 2001 das Architekturbüro Head Arhitektid. Im Jahr 2003 arbeitete er mit dem Architekturbüro Kosmos zusammen und schloss sich im folgenden Jahr Coo Arhitektid an, das später zu HGA (Hayashi Grossschmidt Arhitektuur) wurde. HGA war von 2008 bis zur Fertigstellung des Estnischen Nationalmuseums als mitarbeitendes lokales Architekturbüro an dem Projekt beteiligt.
Seit 2012 arbeitet er am Institut für Architektur der Hochschule für angewandte Wissenschaften Tallinn, seit 2016 als außerordentlicher Professor. Er wurde 2005, 2009 und 2019 für den Mies van der Rohe-Preis nominiert.
