Figlio di Giorgio Tononi, già sindaco di Trento, fratello di Massimo, già sottosegretario del Governo Prodi II, e di Marcello, dopo essersi laureato e specializzato in psichiatria presso la Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa, ha ottenuto il dottorato di ricerca presso la stessa università con una ricerca sulla regolazione del sonno. Negli anni '90 ha svolto ricerche presso il "Neurosciences Institute" a New York e San Diego. È professore di psichiatria all'Università del Wisconsin, dove dirige il "Center for Sleep and Consciousness".