Dal 1982 al 1994 ha fatto parte de Il Trio con Massimo Lopez e Anna Marchesini, eccezionalmente ricostituitosi per l'ultima volta nel 2008 in occasione dello spettacolo televisivo Non esiste più la mezza stagione, che ricordava i venticinque anni dalla fondazione del gruppo.
Nel 1982 fonda il celebre gruppo comico Il Trio insieme con Massimo Lopez e Anna Marchesini. Il loro primo lavoro insieme è Helzapoppin su Radio 2. In seguito al grande successo di questa trasmissione radiofonica (della quale sono rimaste nella storia le freddure minime della notte e la sessuologa della Marchesini), il Trio partecipa a varie trasmissioni televisive, a partire da Tastomatto e Domenica in. Nel 1986 partecipano a Fantastico 7, rimasto famoso come la migliore edizione del celeberrimo programma grazie alla presenza del Trio. Il famoso sketch in cui Tullio interpretava l'AyatollahKhomeini provocò reazioni internazionali e minacce di morte a Solenghi da parte di integralisti islamici. Partecipa, sempre con il Trio, a tre edizioni del Festival di Sanremo, nel 1986, 1987 e 1989. Durante questa edizione Solenghi fece una imitazione di San Remo che causò reazioni da parte del mondo cattolico.
Il Trio si scioglie nel 1994, per la volontà di tutti e tre gli attori di lavorare da solisti. Il gruppo si riunirà il 3 marzo del 2008 per festeggiare i 25 anni dalla propria nascita nello spettacolo Non esiste più la mezza stagione. Sulla sua esperienza nel Trio, Solenghi ha scritto anche un libro, Uno e Trino (1995, Edizioni Associate). Nel 1994 Tullio Solenghi ha prestato la voce al perfido Scar nella versione italiana del film d'animazione Il re leone della Disney. Nel 1995 è stato protagonista, assieme ad Anna Marchesini, dello sceneggiato La rossa del Roxy Bar, mentre l'anno successivo affianca Nancy Brilli nel film televisivo Ci vediamo in tribunale.
Dal 2003 è presentatore dei Premi E.T.I., importante riconoscimento teatrale italiano, che si tengono ogni anno a Vicenza in settembre. Nel 2006-2007 ha portato in scena, in molti teatri Italiani, Le nozze di Figaro di Pierre-Augustin Caron de Beaumarchais, commedia brillante in due atti, da cui trasse ispirazione l'omonima opera di Mozart. L'anno 2008 lo vede impegnato nuovamente in teatro, con lo spettacolo L'ultima radio, in cui Solenghi interpreta un disc jockey anni 1950; uno spettacolo scritto da Sabina Negri e per l'occasione riadattato dallo stesso protagonista. A partire dal 2008 conduce la cerimonia di premiazione dei David di Donatello.
Dagli anni 2000, Solenghi si dedica anche alla fiction: nel 2009 prende parte alla nona serie di Distretto di polizia, nel ruolo del P.M. Castelli, e nel 2014 è nel cast di Furore, nel quale interpreta il sindaco Belgrano.[3]
Dal 2015 al 2017 recita con Massimo Dapporto nello spettacolo Quei due - staircase prodotto da Angelo Tumminelli e diretto da Roberto Valerio, rappresentato in tournée nei teatri italiani. Sempre nel 2017, insieme a Massimo Lopez, è impegnato a teatro nel tour Massimo Lopez e Tullio Solenghi Show.
Da ottobre 2021, ancora una volta insieme a Massimo Lopez, è ospite fisso nel programma Che tempo che fa. Nel novembre del 2023 i due tornano in teatro con Dove eravamo rimasti.
Nel 2024, affiancato da Elisabetta Pozzi, riporta in scena Maneggi per maritare una figlia, il cavallo di battaglia della comicità di Gilberto Govi e lo ripropone sia su Rai5 sia in tour nei teatri italiani.
Solenghi ha realizzato così un suo vecchio sogno: trasformare il proprio volto nella maschera-Govi. «Mi è stato chiaro fin da subito – scrive Solenghi nelle note di regia – che mi trovavo di fronte ad una autentica “maschera” della commedia, e così come non proverei alcun imbarazzo nel riprodurre “lo stampo” scenico di un Arlecchino, mi lascerò docilmente calare nei panni e nella mimica di Gilberto Govi assimilandone ogni frammento, ogni sillaba, ogni atomo. Non esiterei a definirla una sorta di stimolante “archeologia teatrale”.»
È sposato con la chef Laura Fiandra, con la quale ha avuto due figlie: Margherita (1982) e Alice (1984)[4]. È ateo,[5][6]vegano[7] e tifoso del Genoa.[8]