Tomášovým prvním atletickým úspěchem byl v roce 1990 zisk titulu juniorského mistra Československa v sedmiboji, o rok později následovalo druhé místo na mistrovství Evropy juniorů v Soluni a vítězství v anketě o nejlepšího atleta roku 1991 v kategorii juniorů. A pak už přišla velká mistrovství: v roce 1994 halové mistrovství Evropy v Paříži (4. místo), o rok později mistrovství světa v Göteborgu (5. místo). První halová stříbrná medaile putovala k Dvořákům z HMS v Barceloně (1995) a druhá z HME ve Stockholmu (1996).
V roce 1996 se konaly olympijské hry v Atlantě. Tomáš Dvořák se výborně připravil a svou formu potvrdil po oba dny závodu: byl z toho zisk bronzové medaile a nový český rekord 8664 bodů. Vrcholem následující sezony bylo MS v Aténách. I tam Tomáš uspěl. Svým dvojčatům přivezl z MS zlatou medaili a opět i český rekord (8837 bodů). „Hlavně jsem se nejdřív naučil prohrávat. A to je ze všeho nejdůležitější. Proher byla v mojí kariéře spousta, a tak nějaké vítězství beru spíš jako zadostiučinění než triumf. Když jsem vyhrál mistrovství světa, tak jsem jen zúročil to, na co jsem se připravoval několik let. Dal jsem do toho všechno. Kvůli tomu ale nebudu triumfálně vykřikovat a skákat po dráze,“podotýkal Tomáš Dvořák.
Strahov společně s českými fanoušky atletiky se v roce 1999 stal svědkem velké události – Tomáš vytvořil fantastický světový rekord a atakoval hranici devíti tisíc bodů. Při konečném součtu mu do magické devítitisícovky zbývalo pouhých šest bodů. Tehdejší zisk 8994 bodů ho stavěl do pozice nejlepšího desetibojaře na planetě. V roce 1999 přidal další titul mistra světa. Byl také vyhlášen nejlepším sportovcem roku.
V sezoně 2000 se Tomášovi povedlo vytvořit nový evropský rekord v sedmiboji na halovém mistrovství Evropy v Gentu, byl vyhlášen nejlepším sportovcem Evropy za rok 1999 v anketě evropských novinářů. Na červnovém mítinku v Götzisu i na červencovém v Talence se pokoušel o překonání hranice devíti tisíc bodů, vzhledem ke zdravotním problémům se mu to však nepodařilo. Tomáš se se zdravotními problémy potýkal také na olympijských hrách v Sydney. I přesto nevzdal a skončil na šestém místě.
V roce 2001 vynechal halovou sezonu, aby se úspěšně vrátil v létě téhož roku na pomyslný královský trůn. Na MS v Edmontonu zvítězil výkonem 8902 body a stal se potřetí za sebou mistrem světa.
Sezona 2002 ho zastihla opět v horším zdravotním stavu a na vrcholné akci – srpnovém ME v Mnichově – z desetibojařského závodu odstoupil. Zdravotní problémy ho provázely i v následujícím roce, kdy se zúčastnil obou světových šampionátů. V hale v Birminghamu se sebezapřením vydřel páté místo, v létě na mistrovství světa do Paříže přijel jako držitel tří zlatých medailí v řadě za sebou. Sáhl si na dno sil a skončil čtvrtý. Tři měsíce před pařížským šampionátem se Dvořákům narodila třetí dcera, která dostala jméno Terezka.
Třetí olympiáda v kariéře Tomáše Dvořáka přiměla k radikálnímu řešení podstoupit operaci. Český reprezentant po dlouhém zvažování svého startu do soutěže na OH v Aténách nastoupil, ale hned první disciplína vystavila stop veškerým nadějím. Při sprintu na 100 metrů nevydržela jeho poraněná achilovka a slavný desetibojař odkulhal s bolestivou grimasou ve tváři.
V pondělí 1. listopadu 2004 absolvoval Tomáš svůj první trénink po operaci Achillovy šlachy.
Zkušený desetibojař na soustředěních počátkem sezony 2004 převzal ve skupině roli jakéhosi konzultanta tréninků, pomáhal trenéru Svobodovi s vedením mladších kolegů. Že to s trenérskou dráhou myslí vážně, potvrdil Tomáš zahájením studia na FTVS UK v Praze.
Na vrchol sezony 2005 – světový šampionát v Helsinkách – přicestoval trojnásobný mistr světa v dobré pohodě a s chutí si zazávodit. Ani on sám ale zřejmě netušil, jak se soutěž desetibojařů vyvine. O zlato si to od začátku rozdával Šebrle s Clayem, ale po diskvalifikaci nevyzpytatelného Kazacha Karpova se boj o bronz ukázal jako otevřená záležitost. Bohužel ale všechny naděje na „nečekaně zajímavé“ umístění zhatila ještě předtím nepovedená tyč. Za neoblíbenou a zrádnou disciplínu si Dvořák připsal jen 673 bodů a se svým sedmým MS v kariéře se rozloučil na osmé pozici.
V sezoně 2006 se Tomáš Dvořák vícebojem v Götzisu kvalifikoval na srpnové mistrovství Evropy ve švédském Göteborgu. Na stadionu Ullevi nakonec obsadil 12. místo, spíše než se soupeři však bojoval sám se sebou a s časem na závěrečné patnáctistovce. Uběhl ji za 4:42.29, což o necelou půlvteřinu zkazilo unikátní možnost stát se prvním vícebojařem, který překonal osmitisícovou bodovou hranici v 35 závodech. Tento primát tak "vyfoukl" ve stejném závodě Roman Šebrle, který v Göteborgu vyhrál. "Kde jsem ty body ztratil?" uvažoval později Dvořák, "vážně nevím. Tři body je tak málo, stačí kousíček a všechno je jinak."
Rok 2006 si ale sympatický vícebojař zkazit nenechal a oslňoval televizní diváky v taneční soutěži České televize Stardance - když hvězdy tančí. Sice nevyhrál, ale porotě i divákům se líbil natolik, že obsadil třetí místo.
V roce 2007 dokončil Dvořák desetiboj v Kladně ziskem 8020 bodů, čímž se stal po Romanovi Šebrlem druhým desetibojařem v historii s více než 35 desetiboji nad 8000 bodů.
Po nedokončeném desetiboji na MČR ve vícebojích v Houšťce oznámil Tomáš Dvořák 21. července 2008, že šlo o poslední desetiboj jeho kariéry.
Fandové atletiky mohou v současné době slyšet jeho jméno v souvislosti s šéftrenérem Českého atletického svazu (ČAS). Předsednictvo svazu jej vybralo za nástupce Václava Fišera a tak se stalo od 15. září 2009. Vytyčil si hned několik oblastí, na které se hodlá zaměřit: centrální příprava, výchova mládeže, vzdělávání trenérů.