D'origine italienne, mais parlant bien l'espagnol, Tony DiNozzo, issu d'une famille aisée qui cependant évite de trop investir dans ses besoins, a fait ses études dans l'Ohio. Il a servi dans la police criminelle de Baltimore, avant de rejoindre l'agent spécial Jethro Gibbs au NCIS. C'est un grand enfant, vantard et fêtard, qui ne cache pas son amour des belles filles, des voitures de sport et du cinéma. Gibbs n'hésite pas à le rudoyer régulièrement pour le rappeler aux réalités de son travail, mais il sait que DiNozzo est un agent de terrain hors pair, qui sait tout à la fois improviser et assurer ses arrières.Mais aussi, du fait qu'il a fait durant des années des croquis, il arrive avec précision à donner les mensurations d'une personne (et même avec une partie du corps) sans aucun outil de mesure et sans calcul ce qui étonnera à plusieurs reprises ses coéquipiers.
Tony taquine énormément Kate, qui le lui rend bien, si bien que par certains côtés, ils entretiennent une relation du type frère-sœur, parfois protectrice. Malgré son caractère enjoué, il est de temps en temps autoritaire et sait comment se comporter en « patron » à la place (et en l'absence) de Gibbs ; il aime ainsi bien commander à McGee, qu'il surnomme plus ou moins affectueusement « le bleu » du fait de son inexpérience du terrain. Quand il ne pense pas aux filles, il parle du cinéma, domaine dont il possède une connaissance encyclopédique, dont il fait régulièrement profiter ses collègues