Tôn Thất Doãn sinh năm 1858. Sau khi học xong trường Quốc Tử giám, ông được bổ nhiệm làm Thông phán ở dinh Tuần vũ Bình Thuận. Năm 1905, Tôn Thất Doãn, Trương Gia Mô, Hồ Tá Bang mà một số nhà nho khác đã bí mật gặp gỡ Phan Chu Trinh trong chuyến cụ Phan vào các tỉnh phía Nam tìm bạn đồng tâm.

Năm 1906 Tôn Thất Doãn được bổ làm Tri phủ Hòa Đa ở tỉnh Bình Thuận. Cũng năm đó phong trào Đông du do Phan Bội Châu phát động, phong trào Duy tân do Phan Chu Trinh phát động từ Quảng Nam lan tới tỉnh Bình Thuận. Tôn Thất Doãn đã bí mật tham gia cả hai phong trào đó và đã nhanh chóng trở thành một trong những người lãnh đạo phong trào Đông du và Duy tân ở miền Nam Trung Kỳ. Tôn Thất Doãn là người lập danh sách, cũng là người bảo quản danh sách những người tham gia phong trào Đông du và phong trào Duy tân ở các tỉnh Nam Trung Kỳ đồng thời quản lý phân phối các tài liệu bí mật như Hải Ngoại huyết thư, Lưu cầu huyết lệ tân thư của Phan Bội Châu, Thiên hạ đại thế luận của Nguyễn Lộ Trạch.

Nắm vững phương châm hành động của phong trào Duy tân là: “Khai dân trí, chấn dân khí, hậu dân sinh”, Tôn Thất Doãn đãương Gia Mô, Hồ Sĩ Tạo, Nguyễn Trọng Lội, Nguyễn Quý Anh đứng ra mở trường Dục Thanh và thành lập công ty Liên Thành ở Phan Thiết.

Năm 1908, Tôn Thất Doãn được Triều đình Huế bổ nhiệm làm tri huyện Ninh Hòa. Cũng vào thời điểm đó, Trần Quý Cáp giáo thụ huyện Thăng Bình, tỉnh Quảng Nam được điều về làm giáo thụ huyện Tân Định cũng thuộc tỉnh Khánh Hòa. Từ đó hai người quen biết nhau và trở thành đôi bạn thân thiết, thường cùng nhau bàn luận về thời cuộc, kể cho nhau nghe những thủ đoạn áp bức, bóc lột nhân dân của thực dân Pháp và bè lũ tay sai và bàn kế sách vận động nhân dân đấu tranh.

Thực dân Pháp giết hại Trần Quý Cáp, bắt giam các nhà yêu nước, Tôn Thất Doãn vẫn bền bỉ, củng cố, phát triển phong trào Đông du và Duy tân. Bọn cai trị Pháp biết ông vẫn hoạt động trong phong trào yêu nước, song không có chứng cớ để bắt giam, liền buộc triều đình Huế đổi ông đi nơi khác.

Đầu năm Tân Hợi (1911), Triều đình Huế bổ nhiệm ông làm tri phủ Tam Kỳ, tỉnh Quảng Nam. Tôn Thất Doãn đã ủng hộ nông dân chống cường hào địa chủ bóc lột tô tức. Những hành động bảo vệ dân của ông không lọt qua được mắt chúng, Khâm sứ Trung Kỳ đòi Triều đình Huế cách chức ông để có cớ bắt giam. Song ông nhờ có người em thúc bá là Tôn Thất Hân làm Thượng thư Bộ Hình, phụ chính đại thần can thiệp với tòa Khâm sứ, nên năm 1913 ông bị điều về kinh giữ chức Thừa chỉ Hàn lâm viện. Tại đây ông lại chắp mối liên lạc với Phan Bội Châu đang ở Trung Quốc và các hội viên Việt Nam Quang Phục hội ở Trung Kỳ.

Năm 1914, Tòa Khâm sứ Trung kỳ buộc triều đình Huế cách chức ông. Trở về sống ở làng Kim Long, Tôn Thất Doãn lại bí mật liên lạc với Thái Phiên, Trần Cao Vân… cùng những yếu nhân của Việt Nam Quang Phục hội ở Nam Trung Kỳ.

Ngày 3 tháng 5 năm 1916, cuộc khởi nghĩa ở kinh thành Huế do Thái Phiên, Trần Cao Vân lãnh đạo, có sự tham gia của vua Duy Tân thất bại, Thái Phiên, Trần Cao Vân và nhiều yếu nhân khác của Việt Nam Quang Phục hội bị xử chém. Vua Duy Tân bị đầy đi đảo Reunion. Tôn Thất Doãn chán nản, âuầu vì cảnh mất nước, dân làm nô lệ ông lâm bệnh. Ngày 12 tháng Chạp năm Đinh Tỵ (1/2/1918) ông mất ở tuổi 61.