Tonnelat stammte aus einer Lehrerfamilie. 1898 wurde er in die École normale supérieure aufgenommen. Er war ab 1905 als Lehrer zunächst in Caen, dann ab 1909 am Lycée Charlemagne in Paris tätig. 1912 promovierte er mit einer Arbeit über die Brüder Grimm. 1913 erhielt er eine Professur für deutsche Sprache und Literatur in Genf. Mit Ausbruch des Ersten Weltkriegs wurde er einberufen, wechselte aus gesundheitlichen Gründen bereits 1915 in eine Propagandaeinheit, wo er zusammen mit Hansi antideutsche Propagandaschriften verfasste. 1933 wurde er als Nachfolger seines Lehrers Charles Andler Professor am Collège de France in Paris. Nach der französischen Niederlage zu Beginn des Zweiten Weltkriegs wechselte Tonnelat in die unbesetzte Zone nach Lyon und kehrte erst 1945 nach Paris zurück, wo er 1948 starb. 1945 wurde er Mitglied der Académie des Inscriptions et Belles-Lettres.