Nach dem für Savoyen unbefriedigenden Frieden von Cherasco trat er aber als General in spanische Dienste und brach mit seinem Bruder Viktor Amadeus, der in starke Abhängigkeit von Frankreich geraten war. 1635 befehligte er die spanischen Truppen in Flandern gegen Frankreich und verlor mit ihnen die Schlacht bei Les Avins gegen die Marschälle Gaspard III. de Coligny und Urbain de Maillé-Brézé (1597–1650). Nachdem eine gemeinsame Invasion der Spanischen Niederlande durch Franzosen und Niederländer durch den Entsatz des belagerten Löwens und einen folgenden Gegenschlag des Kardinalinfanten aufgehalten wurde, befehligte Tommaso im nächsten Jahr für den Kardinalinfanten zusammen mit Octavio Piccolomini das kaiserlich-spanische Heer, das in Nordfrankreich eindrang und die französischen Grenzfestungen La Capelle, Le Catelet und Corbie einnahm. 1638 zwang er den Marschall Jacques Nompar de Caumont (1558–1652) dazu, die Belagerung von Saint-Omer aufzuheben.