Der in Magdeburg geborene Bass begann seine musikalische Ausbildung zunächst mit Kompositionsunterricht und studierte später Gesang bei Reiner Goldberg an der Hochschule für Musik "Hanns Eisler" in Berlin. Wichtige Impulse für seine weitere stimmliche Ausbildung durfte er später von Franz Crass und Kurt Moll erhalten.

Noch während seines Studiums wirkte Tilmann Rönnebeck bei der Berliner Uraufführung der „Comedian Harmonists“ am Theater am Kurfürstendamm mit und erhielt dafür den BZ-Kulturpreis. Zahlreiche Konzerttourneen im In- und Ausland sowie diverse CD- und TV-Produktionen folgten.

Im Laufe seines ersten Engagements am Staatstheater Cottbus sang der Bassist ab 2002 bereits wichtige Fachpartien und erhielt dort als bester Nachwuchssänger den Max-Grünebaum-Preis. Große Erfolge feierte er z.B. als Pimen („Boris Godunow“), Wotan („Das Rheingold“) und Filippo II. („Don Carlo“). Danach folgte ein Festengagement an der Komischen Oper Berlin, wo er z.B. Figaro („Die Hochzeit des Figaro“), Rocco („Fidelio“) und die Titelpartie in „Don Pasquale“ verkörperte.

Seit der Saison 2010/11 ist Tilmann Rönnebeck festes Ensemblemitglied an der Semperoper Dresden und stand u.a. als Sarastro („Die Zauberflöte“), Seneca („L’incoronazione di Poppea“), Landgraf Hermann („Tannhäuser“) und als König Arkel („Pelléas et Mélisande“) auf der Bühne. Im Juni 2020 sang er hier an der Seite von Anna Netrebko König Philipp II. in einer konzertanten Aufführung des „Don Carlo“.

Seit 2018 hat Tilmann Rönnebeck außerdem einen Lehrauftrag im Hauptfach Gesang an der HfM Carl Maria von Weber inne.

Im Laufe seiner Karriere sang der Bass unter großen Dirigenten, so u.a. Christian Thielemann, Franz Welser-Möst, Peter Schneider und arbeitete mit namhaften Regisseuren zusammen (Peter Konwitschny, Hans Neuenfels, La Fura dels Baus, Keith Warner und Romeo Castellucci).

Zahlreiche Gastauftritte führten ihn ins In-und Ausland. So wurde er u.a. wiederholt zu den Salzburger Festspielen eingeladen. Dort debütierte er als König von Frankreich in „Lear“, sang den 1. Nazarener in „Salome“, Le Veilleur in „Œdipe“ und war ebenfalls im Jubiläumsjahr der 100. Festspiele 2020 in „Elektra“ zu erleben. Im November 2021 gab er den Rocco („Fidelio“) in der Eröffnungspremiere am Teatro La Fenice in Venedig unter der Leitung von Myung-whun Chung.