Tomi Ungerer hat zwei Schwestern und einen Bruder und ist das vierte und jüngste Kind in der Familie. Sein Vater Théodore war der Familientradition nach ein Uhrmacher und ein Turmuhrenfabrikant, aber auch ein Künstler, Historiker und Büchersammler, der unter anderem die Astronomische Uhr des Straßburger Münsters wartete. Er entwarf und baute auch die größte astronomische Uhr der Welt im Dom von Messina auf Sizilien. Ungerers Mutter Alice, geborene Essler, stammte aus einer oberrheinischen Industriellenfamilie (gest. 1989). Er lernte seinen Vater nie richtig kennen, denn dieser starb 1935 an den Folgen einer Blutvergiftung, als Tomi erst dreieinhalb Jahre alt war. Später widmete er einige Bilderbücher ausdrücklich vierjährigen Kindern.
Die Mutter zog nach dem Tod des Vaters mit Tomi und seinen drei Geschwistern zurück in ihr Elternhaus nach Logelbach, einem Industrievorort von Colmar, das von der Firma Haussmann zur Verfügung gestellt wurde. Der Vater von Ungerers Mutter war technischer Direktor bei der Spinnerei Haussmann. Dort wuchs er unter der warmherzigen, aber überbehütenden Fürsorge seiner Mutter auf. Ungerer wurde als Kind von seinen Spielkameraden ferngehalten und zu Hause sprach man nur Französisch, denn Elsässisch galt als die Sprache des Volkes. In seinem Kinderbuch „Kein Kuß für Mutter“ (1974) spielt er auf diese Fürsorglichkeit an. Als Jüngstem in der Familie hörte man ihm nie zu und nahm ihn nicht ernst, dafür ließ man ihm alle Streiche durchgehen.
Erst im Alter von neun Jahren wurde Ungerer wegen der deutschen Besatzung bzw. ihrer Schulpflicht in die Volksschule eingeschult. Innerhalb von drei Monaten erlernte er die deutsche Hochsprache und den Elsässischen Dialekt. Auf diese Weise erlebte er die allgemeine Unterdrückung durch die Deutschen zunächst als eine persönliche Befreiung. Ungerer lernte sich anzupassen, zu Hause war er Franzose, in der Schule der deutsche Hans und bei seinen Spielkameraden ein Elsässer. Trotz dieser Beschwernisse schätzt Ungerer sein Familienleben als bildend und aufbauend für Geist und Gemüt ein: „Ich bin wirklich aufgewachsen mit dem Respekt vor der Schönheit der Natur. Und das hat mich total geprägt, mein ganzes Leben. Wir hatten ein echtes altmodisches Familienwesen: Jeden Abend nach dem Essen wurde Karten gespielt, aus Büchern vorgelesen oder gesungen.“ Er wurde von früh an ermutigt, zu zeichnen und zu schreiben. Seine Bushaltestelle zur „Matthias Grünewald-Schule, Oberschule für Jungen“ (heute Lycée Bartholdi) in Colmar lag zufällig vor dem Musée d'Unterlinden, in dem er sich immer bei Regen aufhielt und so oft Grünewalds Isenheimer Altar bewundern konnte.
Seine Schuljahre wurden zunehmend von Krieg und Besetzung geprägt. Im Erdgeschoss des Elternhauses wurde ein Wehrmachtsoffizier einquartiert. Gegenüber lag die Fabrik Haussmann, die zu einem Gefangenenlager umfunktioniert wurde. Im Winter 1944/45 wurde drei Monate lang in einem Stellungskrieg um den „Colmarer Brückenkopf Elsaß“ bzw. die „Poche du Colmar“ gekämpft. Für weitere Drangsal und Konfusion sorgte ein zweimaliger Wechsel der Unterrichtssprache: von Französisch zur deutschen Sprache, die durch autoritäre, nationalsozialistische Lehrer repräsentiert wurde, und wieder zurück zum Französischen, das nun ebenso konsequent durchgesetzt wurde. Nicht nur Hochdeutsch, sondern auch der regionale Dialekt wurde verboten. Ungerer bezeichnet die Vorgehensweise der Franzosen als ein kulturelles Verbrechen („crime culturel“) und einen kulturellen Mord. Ihm wurde nahegelegt, seinen Akzent zu verlieren („perd ton accent“), bevor er sich mit französischer Literatur beschäftige. Das führte zu Schwierigkeiten mit dem Französischen, so dass er knapp das Baccalauréat (Abitur) verfehlte. Schließlich wurde er in seinem Abschlußzeugnis als pervers und subversiv beurteilt.
Nach dem frühen Verlust seines Vaters verlor er auch noch eine sichere Lebensperspektive. Dennoch konnte er unter den Deutschen nach der Berlitz-Methode so gut Englisch lernen, dass er nach dem Krieg als Dolmetscher für die französischen Offiziere arbeiten durfte. Seine frühen Jahre wurden zu ruhelosen Lehr- und Wanderjahren, auf dem Fahrrad durch Frankreich, später quer durch Europa. Er unternahm auch eine Stippvisite bei einem Méhari-Kamelreiter-Regiment in Algerien bei der französischen Fremdenlegion, dort sang man nur „Nazilieder“. Schon bald zog er sich er eine Rippenfellentzündung zu und lag sechs Monate im Lazarett, dabei lernte er die arabische Musik kennen. Nach seiner Ausmusterung führten ihn seine Wanderungen zu Fuss und per Anhalter bis nach Nordnorwegen bei Murmansk ins sowjetische Grenzgebiet, danach war er auf kleinen Frachtern als Matrose im Nordatlantik unterwegs. Im Oktober 1953 schrieb er sich für ein paar Monate in der Straßburger Ecole Municipale des Arts Décoratifs ein. Ungerer probierte viel aus und brach es schnell auch wieder ab. Er schien nicht viel Glück im Leben zu haben, und so hätte es wohl ziellos weitergehen können. Kaum etwas deutete damals auf seine spätere Meisterschaft in der Zeichenkunst hin.
Doch da war zum einen der Respekt vor dem Bildungsgut des Bildungsbürgertums, die Liebe zu den Büchern und besonders zur Malerei. Vor allem zeigte er eine hohe Energie und Willenskraft, sich ständig mit Neuem auseinanderzusetzen und Grenzen zu überwinden. So kam es erst spät zu einer Begegnung und schließlich intensiven Auseinandersetzung mit der amerikanischen Kultur in Straßburg. Im amerikanischen Kulturzentrum (Centre Culturel Américain) entdeckte er die Werke des Cartoonisten Saul Steinberg und des Zeichners James Thurber. Bald stand sein Entschluss fest, sein Glück in der Neuen Welt zu suchen.
1956 wanderte Ungerer mit sechzig Dollar und einigen Zeichnungen in der Tasche in die USA, nach New York aus. Unterernährt und wegen der verschleppten Rippenfellentzündung begab er sich sofort in die Notfallstation eines Krankenhauses. Dort weigerte man sich, ihn zu behandeln, da er nicht genug Geld hatte, um eine Behandlung zu bezahlen. Anderntags versuchte er bei der Kinderbuchlektorin von Harper, Ursula Nordström, einen Vertrag für sein Kinderbuch zu erhalten. Nordström lehnte zunächst bedauernd ab, gab ihm aber schließlich nach einem Schwächeanfall einen Vorschuss von 500 Dollar Bargeld. Bereits 1957 gewann er seinen ersten Preis für sein erstes illustriertes Kinderbuch, „The Mellops go flying“, einer Geschichte mit kleinen Schweinchen. Programmatisch für sein Lebenswerk vereinten sich in den Figuren der kleinen Schweinchen kindliche Unschuld und in rein symbolischer Hinsicht das Laster. Das Buch wurde zum Bestseller. Im selben Jahr knüpfte er den Kontakt mit seinem späteren Hausverlag, dem Zürcher Diogenes Verlag. Nun arbeitete er gleichzeitig als Zeichner, Maler, Illustrator, Kinderbuchautor und Werbegrafiker.
Mitte der 1960er Jahre schockierte Ungerer mit den Cartoonbänden „Geheimes Skizzenbuch“ und „The Party“, in denen er auf drastisch-satirische Weise die New Yorker Schickeria aufs Korn nahm. Ungerers Kreativität kannte nun auch keine Genregrenzen mehr, und er wandte gern alle Zeichentechniken an. 1969 erschien „Fornicon“, das später in England verboten wurde. Die Karikaturen stellten Potenzwahn, Sexismus und Gier bloß. Seine Drastik und Radikalität blieben immer die Mittel eines Moralisten. Die Ironie (von einem Teil) seiner visualisierten sexuellen Praktiken basierte auf dem Prinzip der Übertreibung, vom Übermaß einer noch nie gesehenen Technisierung und Mechanisierung sexueller Wünsche. Ungerer war daher nicht nur mit der Prüderie in den USA und England konfrontiert, sondern später auch mit der Rachsucht der Ostküsten-High Society.
Daneben machte er auch Film-Plakate u. a. für die Star-Regisseure Stanley Kubrick (Dr. Seltsam) und Otto Preminger. In seiner New Yorker Zeit teilte er sich mit dem Schriftsteller Philip Roth ein Ferienhaus auf Long Island. Zu seinen weiteren literarischen Freunden zählen auch Saul Bellow und Tom Wolfe. Später resumierte er rückblickend, zur richtigen Zeit am richtigen Ort gewesen zu sein. Wegen der Hysterie in der McCarthy-Ära suchten viele kritische Kreative Zuflucht im damals noch weltoffenen New York. Dieses Klima einer radikalen künstlerischen Freiheit nahm gegen Ende der 1960er Jahre mit dem Aufkommen der harten Drogen ein allmähliches Ende.
Trotz einer liberalen Aufbruchsstimmung in den USA stießen seine satirischen und erotomanischen Zeichnungen dort auf immer mehr Kritik. Ungerer wurde vom FBI beobachtet, und auch seine Kinderbücher wurden verboten. „Kein Kuss für Mutter“ erhielt in den USA sogar den Preis für das schlimmste Kinderbuch, da darin u.a. Toby mit seinem Freund Zigarre raucht und beim Frühstück mit seinen Eltern eine Flasche Schnaps auf dem Tisch steht. Mit Bildern wie diesen hält er sich zugute, einen neuen Realismus in die Kinderbuchliteratur eingeführt zu haben: „Keiner hat die Kinderbuchtabus so zerschmettert wie ich.“ Ungerer verließ New York 1971 nach 14 Jahren intensiver Arbeit und suchte nun die ländliche Ruhe und Inspiration auf einer Farm im kanadischen Neuschottland. Nach der jahrelangen Arbeit am „großen Liederbuch“ (1975) trieb ihn das Heimweh wieder zurück nach Europa.
Seit 1976 lebt Ungerer mit seiner zweiten Frau, der US-Amerikanerin Yvonne Wright, seiner Tochter (geb. 1976) und seinen beiden Söhnen (geb. 1978 und 1980), abwechselnd in Straßburg und auf einer 160 ha großen Farm nahe der Stadt Cork in Irlands Südwestprovinz Munster. Dort arbeitete er als Farmer mit heute (2006) 600 Schafen und 48 Kühen. Ungerer konnte Mitte der 2000er Jahre eine jahrelang andauernde, schwere gesundheitliche Krise mit drei Herzinfarkten und einer Krebserkrankung überwinden und fand danach erneut zu seiner alten Produktivität zurück.
Neben seiner künstlerischen Arbeit setzte sich Ungerer unter anderem auch für Aktionen und Programme ein, um jugendliche Straftäter von der Straße zu holen, für eine Integration von Ausländern in französischen Schulen sowie für eine Hilfe für Aidspatienten und krebskranke Kinder.
Ungerer ist auch ein Gourmet und als Genießer der elsässisch-badischen Küche ist er auch mit Meisterköchen befreundet, so etwa mit Philippe Schadt in Blaesheim (Chez Philippe) oder mit dem Chansonnier und Kabarettleiter Roger Siffer, beide stellen ihren Gästen Ungerers Aquarelle und Zeichnungen aus.
In den letzten 40 Jahren brachte der Workaholic rund 40.000 Zeichnungen zu Papier und veröffentlichte über 140 Bücher. Ab 1979 waren seine Werke in etwa 100 Ausstellungen zu sehen.
Gründung der „Vereinigung Kulturbank“ 1990 in Straßburg; Mitarbeit in der „Commission Interministérielle Franco-allemande“ ab 1987; „Botschafter für Kindheit und Erziehung“ für den Europarat seit 2000. Ungerer selbst sieht sich als Elsässer, aber nicht als Franzose oder Deutscher, er sei ein überzeugter Europäer.
Von den vielen Auszeichnungen, die er im Laufe seines Lebens erhielt, seien hier nur einige erwähnt: 1983 den Jacob-Burckhardt-Preis der Johann-Wolfgang-Goethe-Stiftung in Basel, 1992 Ernennung zu den „500 World Leaders of Influence“ durch das „American Biographical Institute“, 1993 das deutsche Bundesverdienstkreuz, 1995 der französische „Große Nationalpreis für Graphik“, 1998 den internationalen Hans-Christian-Andersen-Preis, 2001 die Ernennung zum Offizier der französischen Ehrenlegion, 2003 der „Erich Kästner Preis für Literatur“ der Münchner Erich Kästner Gesellschaft e. V., Laudatorin war die ehem. BVerfG-Präsidentin Jutta Limbach, 2004 die Ehrendoktorwürde der Universität Karlsruhe. Für seine Verdienste als „Wanderer zwischen den Sprachen und Kulturen“ und für die grenzüberschreitende Zusammenarbeit in der deutsch-französisch-schweizerischen Oberrheinregion erhielt er 2006 den Ehrenpreis des oberrheinischen Hochschulpreises Prix Bartholdi.