Родившийся 23 марта 1944 года в Таллинне Тоомас Карьяхярм окончил в 1970-м Тартуский государственный университет по специальности "история". В 1974-м стал кандидатом исторических наук, в 1983-м - доктором исторических наук.

В 1970-1975 годах Карьяхярм работал младшим научным сотрудником в Институте истории Академии наук Эстонской ССР. В 1972-1990 годах преподавал в Таллиннской государственной консерватории, с 1984-го был профессором.

С 1990 года работал старшим научным сотрудником и преподавателем, руководил целевыми и грантовыми проектами, а также докторантурой в Институте истории (с 2005 года - Институт истории Таллиннского университета), а позднее, после ликвидации института, - в Центре истории, археологии и истории искусства Таллиннского университета.

Карьяхярм проходил дополнительное обучение в университетах Санкт-Петербурга (тогда Ленинграда), Торонто и Ювяскюля.

Основной областью его исследований были политическая история и история идей Нового времени (в том числе Эстонии, России и СССР), социальная история, культура, интеллектуальная элита, отношения Эстонии с внешним миром, модернизация и массовые движения, методология исторических исследований и историография.

Вместе с Вяйно Сиргом Карьяхярм написал трилогию по истории эстонской интеллигенции в 1850-1987 годах, вместе с Хелле-Май Лутс - монографию о репрессиях против художников и музыкантов в 1940-1953 годах, три монографии об эстонско- (балтийско-) российских отношениях, а также две монографии о революции 1905 года в Эстонии.

Карьяхярм участвовал в подготовке общих исторических трудов, энциклопедий, учебников и учебных материалов по истории для гимназий и вузов, публиковал сборники документов и материалов на эстонском и русском языках, в том числе в серии "Эстонская история мысли" - вместе с Хандо Руннелем он подготовил издания, посвященные Хансу Круусу, Константину Пятсу и Пеэтеру Тарвелу.

Карьяхярм публиковал исторические фотографии и основал серию "Старые города и уезды. Здания и люди" (в 2006-2013 годах вышло 14 альбомов).

Работы Карьяхярма публиковались в Эстонии, Латвии, Финляндии, Швеции, Германии, Франции и России.

В 1999 году Карьяхярм был удостоен государственной премии в области науки.