Simpson galt als einer der besten britischen Radprofis. Als Amateur gewann er 1956 in Melbourne die Bronzemedaille in der 4000-m-Mannschaftsverfolgung. 1957 gewann er einen nationalen Titel, als er im Bergzeitfahren die britische Meisterschaft gewann. Simpson war 1962 der erste Brite, der das Gelbe Trikot der Tour de France getragen hatte. Gleichfalls als erster Brite gewann Simpson im spanischen Lasarte 1965 die Straßenrad-Weltmeisterschaft (vor dem Deutschen Rudi Altig). Tom Simpson startete mehrfach bei den UCI-Weltmeisterschaften im Straßenfahren für die britische Nationalmannschaft. Neben seinem Titel von 1965 erreichte er weitere vordere Platzierungen: 1959 wurde er im niederländischen Zandvoort 4., 1961 in Bern 9. und 1964 im französischen Sallanches nochmals 4. Der Klassikerjäger holte außerdem Siege bei drei der fünf Monumenten des Radsports: 1961 gewann er die Flandern-Rundfahrt, 1964 Mailand-San Remo und 1965 die Lombardei-Rundfahrt.