Figlio di Francesco Tomassetti e Carolina Antonietti, fu avviato allo studio della giurisprudenza dal padre, un avvocato impiegato presso la Cancelleria Apostolica. Oltre agli studi legali, Tomassetti frequentò alla Sapienza di Roma anche dei corsi della Facoltà Filologica sotto la guida di Pietro Ercole Visconti, che lo iniziò allo studio della filologia e dell'archeologia romana. Nel 1869, a soli ventun anni, si laureò in Diritto; l'anno successivo conseguì la laurea in lettere e archeologia e l'abilitazione all'insegnamento nelle scuole secondarie.