Mommsen stammte aus einer Pfarrerfamilie und studierte nachdem Schulbesuch in Altona an der Universität Kiel Jura. Mit einem dänischen Stipendium (Schleswig gehörte damals zu Dänemark) besuchte er Frankreich und Italien, wo er seine Beschäftigung mit römischen Inschriften begann. Während der Revolution von 1848 war Mommsen Journalist in Rendsburg und wurde noch in diesem Jahr Professor für Rechtswissenschaft in Leipzig. Wegen seiner liberalen politischen Auffassungen wurde er 1851 entlassen, erhielt 1852 einen Lehrstuhl für römisches Recht in Zürich und 1854 in Breslau.

1858 wurde Mommsen an die Preußische Akademie der Wissenschaften in Berlin berufen und erhielt 1861 daneben eine Professur für römische Altertumskunde an der Berliner Universität, wo er bis 1887 Vorlesungen hielt. Mommsen war auch Mitglied der Königlich Sächsischen Gesellschaft der Wissenschaften in Leipzig.

Für seine wissenschaftlichen Leistungen wurde Mommsen hoch geehrt (Orden Pour le mérite 1868, Ehrenbürgerschaft von Rom.

Mommsen 1902 erhielt für sein Hauptwerk den Nobelpreis für Literatur als

"dem gegenwärtig größten lebenden Meister der historischen Darstellungskunst, mit besonderer Berücksichtigung seines monumentalen Werkes ‚Römische Geschichte' ".Mit seiner Frau Marie, der Tochter des Leipziger Verlegers Karl Reimer , hatte Mommsen 16 zu dem Teil früh verstorbene Kinder.

Mommsen verfasste über 1500 Studien und Abhandlungen zu einzelnen seiner Forschungsthemen, vor allem zur Geschichte der Antike und des Kaiserreiches. Daneben beschäftigte er sich u.a. kritisch mit den Themen Antisemitismus, Imperialismus und als Zeitgenosse der Revolution von 1848 mit dem Liberalismus. Seine wichtigsten Publikationen sind:

• Römische Geschichte : Mommsens berühmtestes Werk erschien von 1854 bis 1856 in drei Bänden und schilderte die Geschichte Roms bis zu dem Ende der römischen Republik und der Herrschaft Caesars, den Mommsen als genialen Staatsmann darstellte. Die politischen Auseinandersetzungen vor allem der späten Republik werden auch in der Terminologie mit den politischen Entwicklungen des 19. Jahrhunderts (Nationalstaat, Demokratie) verglichen. Das engagiert geschriebene Werk gilt als Klassiker der Geschichtsschreibung.
• Eine Fortsetzung der römischen Geschichte in die Kaiserzeit hinein schrieb Mommsen nie, ca. Mitschriften seiner Vorlesungen über römische Kaisergeschichte wurden (erst 1992) veröffentlicht. 1885 erschien als Band 5 der Römischen Geschichte eine Darstellung der römischen Provinzen in der Kaiserzeit.

• Römisches Staatsrecht: für die althistorische Forschung nach wie vor von großer Bedeutung ist die dreibändige (1871-1888) systematische Darstellung des römischen Staatsrechts.
• Römisches Strafrecht (1899)

An der Berliner Akademie, wo er von 1874 bis 1895 Sekretär der Historisch-Philologischen Klasse war, organisierte Mommsen zahlreiche wissenschaftliche Großunternehmen, vor allem Quelleneditionen.

Die Sammlung aller bekannten antiken lateinischen Inschriften hatte Mommsen bereits zu Beginn seiner wissenschaftlichen Laufbahn konzipiert, als er modellhaft die Inschriften des Königreichs Neapel herausgab (1852). Das vollständige Corpus Inscriptionum Latinarum sollte 16 Bände umfassen, von denen 15 zu Mommsens Lebzeiten noch erschienen, fünf von Mommsen selbst erarbeitet. Grundprinzip für die Edition war, in dem Gegensatz zu früheren Sammlungen, die Autopsie, bei der alle erhaltenen Inschriften in dem Original überprüft wurden.

Unter der Leitung von Mommsen nahm 1892 die Reichs-Limes-Kommission ihre Arbeit auf, deren Absicht es war, den genauen Verlauf und die Lage der Kastelle des Obergermanisch-Raetischen Limes zu ergründen. Die Forschungsberichte über die Ausgrabungen füllten vierzehn Bände und gelten noch heute als einzigartige Pioniertat der Aufarbeitung germanisch-römischer Geschichte.

Mommsen gab auch die für das römische Recht grundlegenden Sammlungen Corpus Iuris Civilis und Codex Theodosianus heraus. Ferner war er maßgeblich beteiligt an den Monumenta Germaniae Historica, der Edition der Schriften der Kirchenväter und zahlreichen weiteren Unternehmungen.

Mommsen war von 1863 bis 1866 und wieder von 1873 bis 1879 Abgeordneter in dem preußischen Landtag, von 1881 bis 1884 in dem Reichstag, zuerst für die liberale Fortschrittspartei, später für die Nationalliberalen, schließlich für die Sezessionisten . Er beschäftigte sich naheliegenderweise mit Fragen der Wissenschafts- und Bildungspolitik und vertrat zunächst nationale Positionen. Aus Enttäuschung über die Politik des Kaiserreichs, dessen Zukunft er sehr pessimistisch sah, empfahl er schließlich eine Zusammenarbeit der Liberalen mit der Sozialdemokratie.

Über die Sozialpolitik geriet Mommsen 1881 in Auseinandersetzung mit Bismarck, über die Frage, ob Juden gleichberechtigte Deutsche sein könnten, 1879/80 mit seinem Historikerkollegen Heinrich von Treitschke (Berliner Antisemitismusstreit).