Ông từng là sinh viên khoá I, Đại học Bách Khoa Hà Nội từ khi mới thành lập. Là một kiến trúc sư có nhiều năm làm công tác thiết kế công trình và quy hoạch đô thị ở cơ quan trung ương và địa phương, sau đó về giảng dạy ở đại học, PGS.TS Tôn Đại đã dành nhiều thời gian nghiên cứu lí luận nghệ thuật kiến trúc và quan tâm đến mảng lí luận phê bình. - PGS.TS Tôn Thất Đại đến với ngành Kiến trúc không phải vì muốn chọn nghề nghiệp cho cuộc sống mà bởi hai lý do rất khác biệt: niềm đam mê toán và tình yêu với những chiếc bút vẽ. Khi còn học phổ thông, ông đã cùng một số bạn của mình đi học vẽ ở một lớp học tư do thầy giáo Lương Xuân Nhị và Nguyễn Tiến Chung mở và thầy Lương Xuân Nhị là người “khai mở” niềm đam mê kiến trúc đối với bản thân ông. Kỷ niệm về những buổi đứng cả ngày ngoài chợ để vẽ ký họa khi ông còn là một cậu bé vẫn còn nguyên trong ký ức. Khi thi vào trường Đại học Bách khoa khóa I, năm 1956, ông đã chọn vào chuyên ngành Xây dựng vì nó thỏa mãn được hai niềm đam mê kể trên của ông - toán và vẽ.