Durante su carrera profesional, Boonen ha corrido en los equipos US Postal Service y Quick Step/Omega Pharma/Etixx.

Tras correr con US Postal en 2002, pasó al conjunto Quick Step en 2003, donde continuó hasta su retirada en la París-Roubaix de 2017.

[1]​ Con el equipo de Johan Bruyneel, el joven Boonen buscó confirmar sus excelentes prestaciones en el campo amateur, donde obtuvo, en el año 2000 triunfos del calibre de la París-Tours sub-23 o podios en pruebas como la París-Roubaix para amateurs.

[2]​[3]​[4]​ A pesar de que los éxitos no se hicieron esperar (llegando a ser el segundo hombre en triunfos de la temporada 2004,[5]​ con victorias al esprint en numerosas vueltas por etapas y sus primeras victorias en el conjunto belga sobre clásicas flamencas como la Gante-Wevelgem),[6]​ su explosión definitiva se produciría en el año 2005, cuando se convertiría en el octavo corredor en la historia capaz de firmar doblete en las dos clásicas sobre adoquines más importantes del mundo: Tour de Flandes y París-Roubaix.

No obstante, una rápida recuperación le permitió recuperarse y encontrar buenas sensaciones en la Vuelta a España, donde no pudo sumar ningún triunfo pero sí una fuerza y forma indispensables para obtener el que es, hasta el día de hoy, el mayor logro de su carrera.

Tom Boonen se vestía así con un maillot arcoíris el cual, a diferencia de otros muchos corredores que le precedieran como acreedor de tan alto honor, le daría alas para seguir consechando grandes éxitos en la temporada en la que lo vestiría.

Sin embargo, no pudo repetir su hazaña de ganar también la París-Roubaix, terminando la prueba en segunda posición tras el suizo Fabian Cancellara.

Boonen no pudo revalidar sus dos triunfos anteriores, finalizando undécimo en una prueba que se adjudicó el italiano Alessandro Ballan.

En el Ster Elektrokoer neerlandés sumará una victoria al esprint, hecho que repetirá en Viena, donde se lleva la última etapa de la Vuelta a Austria, y en la Vuelta a Valonia, donde gana la primera etapa y se coloca como líder para la jornada siguiente.

Su buen estado de forma para el Campeonato del Mundo de Varese no se vio recompensado con resultados, ya que no consiguió entrar en el grupo que dio la victoria a Alessandro Ballan y acabó en el pelotón sin disputar la carrera.

Boonen comenzó el 2009 por tierras cataríes: Ganó por tercera vez el Tour de Catar.

Preparó brillantemente las clásicas del pavés terminando tercero en A través de Flandes, favoreciendo la victoria a su cmpañero Kevin Van Impe y después terminó segundo en el E3 Prijs Vlaanderen-Harelbeke, batido por Filippo Pozzato.

Sin embargo, este control efectuado fuera de la competición, hace que no pueda ser impuesta ninguna sanción por la LVB (Liga Ciclista Belga) o la UCI.

Pero en este Tour, Boonen pasa desapercibido y debido a una caída en la 15.ª etapa se acaba retirando.

Sin embargo sufrió una caída en la 5.ª etapa, cuyas consecuencias le obligaron a abandonar dos días más tarde.

Fue favorito para el Tour de Flandes,[36]​ que ganó en un sprint contra Filippo Pozzato y Alessandro Ballan.

Su tercera victoria igualó a las de Achiel Buysse, Fiorenzo Magni, Eric Leman y Johan Museeuw.

También es el primero en ganar E3 Harelbeke, Gent-Wevelgem, Tour of Flanders y París-Roubaix en el mismo año.

Ganó el título del campeonato nacional en junio, llevándose la mailot tricolor de Philippe Gilbert.

Ganó la clasificación por puntos y el liderato general después de quedar tercero en la segunda etapa.

Regresó a la acción en febrero en el Tour de Omán, pero solo pudo terminar 83.º en la Clasificación General.

En el Omloop Het Nieuwsblad 2015, Boonen hizo el corte decisivo con sus compañeros de equipo Niki Terpstra y Stijn Vandenbergh, junto con Ian Stannard (Team Sky).

Terminó la temporada con el tercer lugar en la carrera de ruta del Campeonato Mundial en Catar, donde fue derrotado por el Peter Sagan y Mark Cavendish.

Reanudó su campaña de clásicas adoquinadas en la E3 Harelbeke, donde animó la carrera con un ataque al Taaienberg en su camino hacia un octavo puesto.

Sin embargo, sus propias esperanzas de conseguir un podio se vieron frustradas por un problema mecánico en el Taaienberg, y terminó la carrera en el puesto 37.

Posteriormente corrió en Scheldeprijs, su última carrera en Bélgica, que rindió homenaje a Boonen al comenzar en su ciudad natal, Mol.