Dumoulin start zijn profcarrière in 2012 op eenentwintigjarige leeftijd bij Argos-Shimano. In zijn eerste jaar als profwielrenner behaalt hij enkele ereplaatsen in tijdritten en etappekoersen.

In zijn tweede jaar als profwielrenner weet Dumoulin wat vaker de weg naar het podium te vinden. Zo wordt hij op het Nederlands kampioenschap tijdrijden derde. Enkele dagen later rijdt hij in Kerkrade naar de zilveren medaille op het wegkampioenschap.

In 2014 mag Dumoulin voor het eerst plaatsnemen op het hoogste schavot in een profwedstrijd. Hij wint dat jaar onder meer op het NK tijdrijden en de tijdrit in de Eneco Tour. Daarnaast behaalt hij het brons op het WK tijdrijden.

Een jaar later beleeft Dumoulin zijn doorbraak bij het grote publiek. Hij wint onder meer drie tijdritten op World Tour-niveau en draagt meerdere dagen de rode leiderstrui in de Vuelta a España. Veel mensen zullen vooral de door Dumoulin gewonnen etappe 9 van die Vuelta herinneren, waarin Dumoulin uit geslagen positie terugkeerde en Chris Froome in de laatste hectometer achterliet.

In eigen land verovert Dumoulin de eerste roze trui van de Giro d'Italia van 2016. Een maand later pakt de Limburger zijn tweede nationale tijdrittitel. Tijdens zijn vierde Tour de France weet Dumoulin twee etappezeges te behalen, maar in de negentiende etappe gaf hij geblesseerd op. Een gebroken pols vertroebelt zijn voorbereiding op de Olympische Spelen in Rio de Janeiro. Desondanks snelt Dumoulin in de tijdrit naar het zilver op de Spelen.

2017 is hét jaar uit de carrière van Tom Dumoulin. Met twee ritten op zak verzekert hij zich in de afsluitende tijdrit in Milaan van de eindwinst in de Giro d'Italia. Daarmee wordt hij de eerste Nederlandse man sinds 1980 die een grote ronde wint. Na de Ronde van Italië betwist Dumoulin het NK tijdrijden wederom in zijn voordeel en zet hij ook de BinckBanck Tour naar zijn hand. In het Noorse Bergen kroont de dan 26-jarige Dumoulin zich tot wereldkampioen tijdrijden.

Zowel in de Giro als in de Tour wint Dumoulin een tijdrit in zijn regenboogtrui en in beide grote rondes finisht hij als tweede in het algemeen klassement. Op het WK tijdrijden behaalt Dumoulin het zilver achter Rohan Dennis. Op het WK op de weg wordt hij vierde.

In 2019 kent Dumoulin een pechjaar. In de vierde etappe van de Giro d'Italia komt hij ten val, waardoor hij een knieblessure oploopt en de volgende dag uit de wedstrijd stapt. Die knieproblemen spelen hem ook in het Critérium du Dauphiné parten, waarna er een kruis over de rest van zijn seizoen gaat.

In de winter van 2020 stapt Dumoulin over naar Team Jumbo-Visma. Mede door de coronacrisis komt hij pas in augustus aan zijn eerste koersen in het geelzwart toe. In de Tour de France finisht Dumoulin als zevende in het algemeen klassement.

Begin 2021 besluit Dumoulin een pauze in te lassen om zich te beraden op zijn toekomst. Een aantal maanden later kondigt hij zijn rentree aan met als grote doel: de Olympische tijdrit. Via de Ronde van Zwitserland en de Nederlandse kampioenschappen, waar hij zijn vierde nationale tijdrittitel verovert, werkt hij toe naar de tijdrit in Tokyo. Op een ruime minuut van ploeggenoot Primoz Roglic eindigt Dumoulin op de tweede plek. Een tweede zilveren plak op de Spelen, maar deze keer glundert Dumoulin meer dan in 2016.

In 2022 kent Dumoulin een ongelukkig seizoen. Onder meer een rugblessure belemmert hem in zijn prestaties. Begin juni kondigt Dumoulin aan dat dit jaar zijn laatste is als profwielrenner. Een beslissing waar hij in augustus op terugkomt: Dumoulin beëindigt per direct zijn wielercarrierè.