Вельо Тормис родился в селении Куусалу близ Таллинна. Отец будущего композитора служил органистом в деревенской церкви. Этот инструмент Вельо начал осваивать уже в раннем детстве. В 1943 году юноша поступает в Таллинскую консерваторию в органный класс Августа Топмана. Через год на территории Эстонии начинаются военные действия, и музыкант на некоторое время прерывает обучение. Уже в мирное время, получив образование органиста, Тормис вновь поступает в консерваторию, теперь уже в класс композиции Эугена Каппа. Тогда же появляются первые произведения Тормиса, преимущественно хоровые.
Путь ученичества продолжается в стенах Московской консерватории. Туда Вельо поступает в 1951-м году в класс композиции Виссариона Яковлевича Шебалина. Оркестровку молодому студенту преподаёт Юрий Александрович Фортунатов. Ему в дальнейшем Тормис посвятит известный цикл «Осенние пейзажи». После обучения композитор возвращается в Таллин, где преподает в музыкальном училище, а затем ведёт класс сочинения в средней специальной музыкальной школе при консерватории, которую впоследствии переименовывают в Эстонскую академию музыки и театра.
С 1969 года Тормис полностью посвящает себя композиции. Он вносит значительный вклад в развитие современной хоровой музыки. Композитор по-своему использует новые жанры двадцатого века — хоровые поэмы, хоровые баллады, хоровые сцены. Он создаёт произведения и в совершенно оригинальных смешанных жанрах: кантата-балет «Эстонские баллады», сценическая композиция из старинных рунных песен «Женские баллады».
Особенно увлеченно Вельо Тормис изучал древнейшие пласты эстонского музыкально-поэтического фольклора и творчество разных прибалтийско-финских народов. Так появились циклы «Тринадцать эстонских лирических народных песен», «Ижорский эпос», «Северорусская былина», «Болгарский триптих», «Венские тропы» и многое другое. Композитор писал: «Меня интересует музыкальное наследие разных эпох, но более всего старинные пласты, представляющие особую ценность… Важно донести до слушателя-зрителя особенности народного мировосприятия, отношение к общечеловеческим ценностям, что самобытно и мудро выражено в фольклоре».
Сегодня произведения Тормиса исполняют ведущие коллективы Эстонии, а также хоры Финляндии, Швеции, Венгрии, Чехословакии, Болгарии, Германии. Хоровой дирижер Густав Эрнесакс, старейшина эстонской композиторской школы, в своё время сказал: «Музыка Вельо Тормиса выражает душу эстонского народа».