年入长沙城南小学堂，1912年毕业就追随二哥考入湖南省甲种工业学校金工科学习。后入读湘雅医学专门学校（首届学生）、北京协和医学院细菌学系。1925年，汤飞凡与何琏（何键之女）成亲后，受学校推荐，获美国哈佛大学医学院奖学金，携夫人一起到了美国进修，就读于哈佛大学医学院细菌学系，师从着名细菌学家秦瑟（）。1929年在颜福庆邀请下回国，任国立中央大学医学院（今复旦大学上海医学院前身）副教授、教授、细菌学系系主任。抗日战争期间，在昆明出任中央防疫处处长，首创中国微生物学研究基地。之后汤主持创建了中国最早的抗生素