Tô Thùy Yên tên thật là Đinh Thành Tiên, sinh ngày 20 tháng 10 năm 1938 tại Gò Vấp, Gia Định. Cha ông là chuyên viên phòng thí nghiệm Viện Pasteur, về sau công tác ở Bệnh viện Chợ Rẫy. Thuở nhỏ ông theo học trung học trường Pétrus Trương Vĩnh Ký, có ghi danh theo học ở Đại học Văn khoa Sài Gòn, ban văn chương Pháp, một thời gian rồi bỏ dở.
Cuối năm 1963 ông nhập ngũ, phục vụ ngành Chiến tranh chính trị. Chức vụ cuối cùng là Thiếu tá, trưởng phòng Tâm lý chiến, quân đội Việt Nam Cộng hòa. Sau ngày 30 tháng 4 năm 1975, ông bị nhà cầm quyền cộng sản cầm tù 3 lần, tổng cộng gần 13 năm. Cuối năm 1993 ông cùng gia đình sang Mỹ định cư theo diện tị nạn chính trị. Hiện ông sống cùng gia đình tại thành phố Houston, bang Texas.
Ông bắt đầu có thơ đăng trên báo Đời Mới (thập niên 1950) trước khi xuất hiện và nổi tiếng trên tạp chí Sáng Tạo. Tô Thùy Yên, Mai Thảo, Thanh Tâm Tuyền, cùng với các họa sĩ Duy Thanh, Ngọc Dũng là những người nòng cốt của nhóm Sáng Tạo, một nhóm sáng tác đã từng được biết đến với phong trào khai sinh “Thơ tự do” trên văn đàn Miền Nam vào thập niên 1960.
Ông là tác giả bài thơ được Trần Thiện Thanh phổ nhạc Chiều trên phá Tam Giang.
Cả hai tập thơ Tuyển tập thơ Thùy Yên (1995) và Thắp tạ (2004) đều được xuất bản ở Mỹ sau khi ông đến đây định cư vào năm 1993.