Comenzó su formación como pintor en su ciudad natal junto a Francesco Rustici.Esta mezcla de influencias le permitió crear un lenguaje formal que le acercó mucho al estilo de artistas como Mattia Preti, con quien a veces se ha confundido su obra (Los Astrónomos, 1643), aunque su manera es algo más contenida.En 1635 se instaló en Roma, donde trabó relación con otros pintores, como Agostino Tassi, Spadarino o los escultores Francesco Mochi y Alessandro Algardi.Posteriormente gozó del patronazgo de los hermanos Spada, Virgilio y el cardenal Bernardino, que le compraron varios lienzos para su residencia.Durante la década de 1640 Tornioli no pudo sustraerse al gran influjo que ejerció Pietro da Cortona.
