Tomomi Hayashi estudió arquitectura en la Universidad Nacional de Yokohama (Japón) y en Virginia Tech (EE.UU.). Tras graduarse, trabajó brevemente para Maki and Associates en Tokio y Rafael Viñoly Architects en Nueva York. En colaboración con Siiri Vallner e Indrek Peil, creó el estudio de arquitectura Head Arhitektid en 2001. En 2003, trabajó con el estudio de arquitectura Kosmos y al año siguiente se incorporó a Coo Arhitektid, que más tarde se convirtió en HGA (Hayashi Grossschmidt Arhitektuur). HGA participó en el proyecto del Museo Nacional de Estonia desde 2008 hasta su finalización como arquitectos locales colaboradores.
Desde 2012 trabaja en el Instituto de Arquitectura de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Tallin, desde 2016 como profesor asociado. Fue nominado para el Premio Mies van der Rohe en 2005, 2009 y 2019.
