Membro della famiglia senese dei Tolomei, nacque a Asciano nel 1492.
Studiò a Bologna e negli anni dal 1516 al 1518 fu lettore di diritto all'Università di Siena.
Favorevole ai Medici, fu esiliato da Siena nel 1526 e dopo un soggiorno a Roma si trasferì a Piacenza alla corte di Pier Luigi Farnese.
Nel 1549 fu nominato vescovo di Curzola e dal 1551, dopo essere rientrato dall'esilio, fu ambasciatore di Siena in Francia. Morì a Roma il 23 marzo 1556.
Fu tra i fondatori dell'Accademia degli Intronati (1525) e fondatore dell'Accademia delle Virtù o Accademia Vitruviana (1542)

Opere (Elenco tratto da Wikipedia):
Laude delle donne bolognese, Bologna: per Iustiniano de Rubera, del 1514 de octobre
Il Polito di Adriano Franci da Siena delle lettere nuouamente aggiornate nella volgar lingua, con somma diligenza corretto et ristampato, Vinegia: Nicolò d'Aristotile detto Zoppino, 1531
Oratione de la pace di M. Claudio Tolomei, Roma: da Antonio Blado Asolano, nel 1534 di marzo
Versi, et regole de la nuoua poesia toscana, Roma: per Antonio Blado d'Asola, 1539 del mese d'ottobre
De le lettere di M. Claudio Tolomei lib. sette. Con una breue dichiarazione in fine di tutto l'ordin de l'ortografia di questa opera, In Vinegia: appresso Gabriel Giolito de Ferrari, 1547 (Google libri); ed. Cornetti, 1585, Google libri)
Due orazioni in lingua toscana. Accusa contra Leon Secretario, di secreti riuelati. Difesa, In Parma: appresso Sette Viotto, 1547 il di primo di Gennaio
De le lettere di M. Claudio Tolomei lib. sette, Venezia, Gabriel Giolito de Ferrari, 1547.
edizione online a cura di Paolo Sanchez, Delle lettere libri sette, Napoli, 1829 (visualizzazione completa su Google Books)
Oratione di Monsi. Claudio Tolomei Ambasciator di Siena recitata dinanci ad Henrico II Christianissimo Re di Francia, In Venetia: per Francesco Marcolini, 1552
Il Cesano, dialogo di m. Claudio Tolomei, nel quale da più dotti huomini si disputa del nome, col quale si dee ragioneuolmente chiamare la volgar lingua, In Vinegia: appresso Gabriel Giolito De Ferrari, et fratelli, 1555 (Google libri) . Il Cesano: de la lingua toscana; edizione critica riveduta e ampliata a cura di Ornella Castellani Pollidori, Firenze: presso l'Accademia della Crusca, 1996
Libro quinto delle Rime di diuersi illustri signori napoletani, e d'altri nobilissimi ingegni. Nuouamente raccolte, e con noua additione ristampate, Vinegia: appresso Gabriel Giolito de Ferrari, et fratelli, 1555 (in Vinegia: appresso Gabriel Giolito de Ferrari, et fratelli, 1555)
Orazioni di M. Claudio Tolomei, Fermo: per Giuseppe Alessandro Paccasassi, 1783 (Google libri)
Alcune lettere politiche di Claudio Tolomei vescovo di Tolone scritte alla repubblica di Siena, ora primamente edite da Luciano Banchi, Siena: Tip. Sordo-muti di L. Lazzeri, 1868
Epistola di Agnolo Firenzuola in lode delle donne scritta a Messere Claudio Tolomei, nobile sanese, Perugia: Tipografia Santucci, 1844
Della edificazione d'una città sul monte Argentario, Firenze: Tipografia dell'Arte della Stampa, 1885
Del raddoppiamento da parola a parola; edizione critica a cura di Barbara Garvin, Exeter: University of Exeter press, 1992