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. On sait également que cet agent a une acuité visuelle très développée (20/10), ce qui sera utile à l'enquête lors de l'épisode "Amnésie" (saison 1). 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.
Lors de la Saison 3, il effectuera de nombreux changements en lui même, il s'imposera de plus en plus au sein de l'équipe qu'on peut voir quand il prend en charge deux enquêtes lors des épisodes Bombe Humaine et Hiatus 1 et 2 où il fera preuve de maturité et s'affirme comme chef d'équipe. Pour y parvenir dans les derniers épisodes de la Saison 3 il viendra à imiter Gibbs d'un point de vue comportemental et relationnel. Cette capacité et son ancienneté lui permettent de diriger l'équipe lors de la Saison 4.
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
Le plus beau de tout les agents. Il est drole, intelligent et j'adore son coté "voir toujours le bon coté des choses". Cependant il est un peu énervant avec Mcgee mais ce n'est pas méchant.