Коллектив был создан в 2001 году двумя братьями-близнецами из восточной Германии, Биллом и Томом Каулитцами. Изначально группа называлась «Devilish» (Дьявольский). Посмотрев на выступление дуэта братьев, к ним присоединились басист Георг Листинг и ударник Густав Шефер.

Билл Каулитц как солист принял участие в телешоу «Star Search» (аналог русской «Фабрики Звезд»), где дошёл до четвертьфинала с песней The Weather Girls «It’s Raining Man» (участие групп не было предусмотрено). Благодаря участию в шоу, лидеру группы удалось познакомиться с продюсером Петером Хоффманом, который взялся за раскрутку проекта. По его настоянию название было сменено на менее вызывающее — Tokio Hotel. Отсылка к Японии также соответствовала имиджу исполнителей, подражающих японской субкультуре Visual Kei. Кроме того, он пригласил в группу Дэйва Рота и Дэвида Йоста, опытных авторов песен. Позже к коллективу присоединяется ещё один продюсер Пэт Бензнер. С группой подписал контракт лейбл Sony BMG. Видео на дебютный сингл «Durch den Monsun» (нем. — «Через муссон») попало на немецкие телеканалы в августе. После выхода клипа у группы сразу же появилось множество фанатов и поклонников. Сингл начал свой путь по немецким музыкальным чартам 20-го августа с 15 места, и уже 26-го достиг 1-й ступеньки. Этот сингл также добился первого места в австрийских музыкальных хит-парадах. Второе видео группы, «Schrei» (нем. крик), находилось на первом месте во всех европейских хит-парадах. Группа выпустила альбом «Schrei» в сентябре.

В начале 2006 года вышло третье видео «Rette mich» (нем. Спаси меня). Эта версия песни отличалась от оригинальной версии с первого альбома из-за ломающегося голоса Билла и некоторых инструментальных изменений. Клип на композицию «Rette mich» быстро достиг 1-го места.

Второй студийный альбом «Schrei — so laut du kannst» вышел в марте. Выпуск был обусловлен изменениями в голосе Билла и вышел с тремя новыми песнями — «Schwarz», «Beichte», «Thema nr. 1» В сентябре группа выпустила четвертый сингл с альбома «Schrei» — «Der letzte Tag». Эта песня также взобралась на самую верхнюю ступеньку в хит-парадах.

18 ноября 2006 группа дала концерт в Москве. Это было одно из первых выступлений вне Германии, и этот первый опыт показал, что музыканты пользуются популярностью по всему миру.

3 апреля 2007 года стартовал тур «Zimmer 483» (нем. Комната 483). За полтора месяца музыканты дали 20 аншлаговых концертов по всей Европе (Германия, Франция, Австрия, Польша, Венгрия, Швейцария). Также они приехали на вручение музыкальной премии в Москву и дали концерт в Санкт-Петербурге.

В начале июня вышел англоязычный альбом «Scream» (англ. крик) и несколько синглов к нему. С этим альбомом группа начинает завоевание Англии, Италии, Испании и Америки.

В конце сентября музыканты дали самый большой сольный концерт в истории группы, на котором присутствовало более 17 тысяч поклонников. В октябре группа дала 12 концертов во Франции — билеты были распроданы за первые несколько дней. В тур входили также концерты в Голландии, Бельгии, Италии, Израиле. 4 ноября состоялся заключительный концерт тура в Германии в Эссене.

В январе 2008 Билл заболел ларингитом, из-за чего пришлось отменить несколько концертов. 30 марта была успешно проведена операция по удалению кисты с голосовых связок.

1 ноября 2007 года группа получила приз MTV Europe Music Awards в номинации Best International Act. 7 сентября 2008 года группа стала лауреатом MTV Video Music Awards в номинации «Лучший дебют» с песней «Ready, Set, Go!». 6 ноября 2008 года группа получила приз MTV Europe Music Awards 2008 года в номинации Headliner. 5 ноября 2009 года на MTV Europe Music Awards группа победила в номинации Best Group.

2 октября 2009 год вышел четвертый студийный альбом «Humanoid». На нём звучание Tokio Hotel изменилось в сторону синтипопа, музыканты привнесли больше электроники в аранжировку песен. В поддержку альбома прошёл тур «Welcome to the Humanoid-City». В начале мая 2010 группа посетила страны Азии: Сингапур, Малайзию и Тайвань. В декабре 2010 года они посетили столицу Японии.