Тоомас Хендрик Ильвес родился 26 декабря 1953 году в столице Швеции Стокгольме.
Позднее семья эмигрировала в США, где прошли детские и юношеские годы будущего президента Эстонии. В 1972 году закончил среднюю школу в Леонии, Нью-Джерси. В 1976 году закончил Колумбийский университет, получив степень бакалавра психологии, а в 1978 году — Пенсильванский университет (магистр психологии).