Był francuskim kompozytorem i organistą, znanym między innymi ze swoich improwizacji, często zakorzenionych w muzyce chorału gregoriańskiego. Jego kompozycje obejmują osiem symfonii (w tym jedną chóralną), cztery opery, dwanaście utworów kameralnych i osiemnaście solówek fortepianowych. Pamiętany jest głównie z muzyki organowej, z której najbardziej znany jest zbiór utworów zatytułowany L'Orgue mystique.
Urodzony w Bordeaux, Tournemire przeniósł się w wieku młodzieńczym do Paryża i tam stał się jednym z trzech najmłodszych uczniów Césara Francka (pozostali dwaj to Henri Büsser i Belg Guillaume Lekeu, który urodził się zaledwie dwa dni przed Tournemire'em).
Od 1898 roku (po rezygnacji Gabriela Pierné) do 1939 roku Tournemire pełnił funkcję organiste titulaire w starym kościele Francka, Basilique Ste-Clotilde w Paryżu. Był także profesorem muzyki kameralnej w Konserwatorium Paryskim. W 1931 roku opublikował biografię Francka.
Rok przed ukazaniem się biografii, Tournemire nagrał pięć improwizacji organowych, które zostały później przepisane przez Maurice'a Duruflé z nagrań fonograficznych. Z dziesięciu płyt 78 rpm, które Tournemire nagrał w 1930 roku, grając na organach Aristide Cavaillé-Coll w Sainte-Clotilde, pięć zawiera kompozycje Francka. Ten zestaw płyt został nagrodzony Grand Prix du Disque w 1931 roku i został ponownie wydany zarówno na LP, jak i CD.
O ile nazwisko Tournemire'a jest obecnie pamiętane, zwykle mówi się o nim w związku z jego największą kompozycją, L'Orgue mystique, grupą 51 zestawów po pięć utworów każdy (z wyjątkiem Wielkiej Soboty, która zawiera tylko trzy utwory), wszystkie napisane w latach 1927-1932. Kolekcja ta obejmuje cykl rzymskokatolickiego roku liturgicznego, a każdy zestaw oparty jest na śpiewach gregoriańskich na dany dzień. W przeciwieństwie do symfonii Charlesa-Marie Widora, które zwykle można usłyszeć podczas świeckich recitali (nawet jeśli poszczególne części tych symfonii miały liturgiczne korzenie), L'Orgue mystique został zaprojektowany do użytku kościelnego.
Tournemire zmarł w Arcachon we Francji w 1939 roku. Dokładna przyczyna jego śmierci nie jest pewna. Wiadomo jedynie, że 31 października wyszedł z domu na spacer i nigdy nie wrócił. Jego ciało znaleziono w bagnie w Arcachon, w sporej odległości od miejsca, z którego wyszedł, 4 listopada i przypuszcza się, że zmarł 3 lub 4 listopada.
Rzadkie wznowienie jednej z jego czterech oper miało miejsce w grudniu 2022 roku, kiedy Theater Ulm wystawił La Légende de Tristan (na podstawie Le Roman de Tristan et Iseut Josepha Bédiera) pod dyrekcją Felixa Bendera.
