Fiorenzo Tomea nasce in una famiglia molto povera in un paesino delle Dolomiti bellunesi. Dopo la morte del padre, avvenuta nel 1920 Tomea di trasferisce a Milano, dove svolge diversi mestieri come quello di venditore ambulante.

Nel 1926 decide di trasferirsi a Verona, continuando a guadagnarsi da vivere con lo stesso lavoro, comincia però a seguire dei corsi serali all’Accademia Cignaroli. Nel 1928 torna a Milano, inserendosi in un fervente ambiente artistico e ritrovando i compagni pittori Giacomo Manzù e Renato Birolli, che avevano frequentato con lui l’Accademia a Verona e che a Milano erano entrati ben presto a far parte di un gruppo di avanguardia assieme a Renato Guttuso, Aligi Sassu ed Edoardo Persico. In questa fase la personalità che lo influenza maggiormente è  proprio quella del critico napoletano Edoardo Persico, fondatore della galleria milanese Il Milione e direttore di Casabella dal 1933, che lo portò alla scoperta della Metafisica, dell’Impressionismo francese, di Cézanne e di Van Gogh.

Nel 1931, trasferitosi a Firenze per il servizio militare, conosce Ottone Rosai. L’anno seguente Tomea partecipa a una mostra collettiva, curata dall’amico Edoardo Persico nella sua galleria milanese.

Nel 1934 l’artista, insieme ad Aligi Sassu, intraprende il “viaggio di formazione” a Parigi, che lo immerge nel mondo della pittura francese e lo mette in contatto con  tutti gli artisti italiani che nella capitale si erano già trasferiti, come De Pisis e Severini.

Dal 1935 si stabilisce definitivamente a Milano e sembra cominciare una fase piuttosto complessa della sua esistenza: oltre ai suoi tipici paesaggi di montagna e alle sue nature morte, il pittore introduce nelle tele nuovi soggetti come scheletri, le maschere e le candele. Candele e maschere del 1937 ed esposto alla VIII Mostra Sindacale lombarda, fa guadagnare all’artista la medaglia d’oro del Ministero dell’Educazione.

Sul finire degli anni Trenta Tomea aderisce al Movimento di Corrente, attivo tra il 1934 e il 1937 che si costituì intorno alla rivista Vita giovanile (poi Corrente di vita giovanile e infine Corrente) edita a Milano nel gennaio 1938 da Ernesto Treccani. Il Movimento fu punto di incontro per artisti come Renato Birolli, Renato Guttuso, Bruno Cassinari, Aligi Sassu, Giuseppe Migneco, Arnaldo Badodi, Ennio Morlotti, Italo Valenti, Emilio Vedova, aveva come critico di riferimento Mario de Micheli e partiva dalla volontà di connettere intimamente ed intensamente arte e vita, prendendo come come modello la pittura di tradizione romantica di Delacroix, Van Gogh, Gauguin, Ensor e degli espressionisti tedeschi, ricca di accesa emotività.  Con il Movimento Tomea nel 1939 espone alla Permanente di Milano.

L’anno successivo, richiamato alle armi, si sposta a Udine.

Nel 1940 presenta una personale alla Galeria Barbaroux di Milano e nel 1942 occupa un’intera sala della Biennale di Venezia.

L’apprensione e il tormento angosciano il pittore negli anni della guerra, Profughi (1945, Milano, collezione privata) e Dies irae (1945, Milano, collezione privata) ne sono la testimonianza. Alla fine degli anni Quaranta, finita la guerra, il pittore vive un momento particolarmente sereno, che si rispecchia in un cromatismo più leggero e nella ripresa di soggetti sia paesaggistici che di Nature morte. Di questi anni sono Nevicata, Inverno in Cadore e Lanterne. 

Nel 1951 e nel 1955 tiene una personale alla Mostra degli Artisti d’Italia a Milano e nel 1956 partecipa nuovamente alla Biennale di Venezia. Nello stesso anno vince il primo premio alla Mostra d’Arte Sacra dell’Antoniano di Bologna e viene eletto sindaco di Zoppé (Treviso).

Nel 1958 l’artista porta a compimento un mosaico raffigurante la scena del Calvario su una parete della chiesa di Santa Barbara a Metanopoli, a San Donato Milanese.

È del 1960 l’ultimo riconoscimento precedente alla morte dell’artista, una mostra antologica al Piemonte Artistico e Culturale di Torino, trasferitasi poi presso la Magnifica Comunità Cadorina a Pieve di Cadore.

Fiorenzo Tomea muore a Milano nel 1960.