С марта 1992 по январь 1993 — атташе группы Коллегии МИД Украины .
С января 1993 по февраль 1993 – атташе, третий секретарь отдела международных организаций МИД Украины.
С августа 1993 по июнь 1994 – третий секретарь отдела политических вопросов ООН и ее специальных учреждений Управления международных организаций МИД Украины.
С июня 1994 по сентябрь 1997 – третий, второй секретарь Постоянного представительства Украины при ООН.
С сентября 1997 по март 1999 – второй, первый секретарь Посольства Украины во Французской Республике .
С марта 1999 по ноябрь 2000 – главный консультант отдела двустороннего сотрудничества Главного управления по вопросам внешней политики Администрации Президента Украины .
С ноября 2000 по январь 2004 – директор Кабинета Министра иностранных дел Украины.
С января 2004 по октябрь 2007 – заместитель Представителя Украины при Европейском Союзе.
С октября 2007 по июнь 2010 – заместитель Министра иностранных дел Украины.
30 ноября 2007 года назначен Председателем делегации Украины на переговорах с ЕС по заключению Соглашения об Ассоциации .
С 29 июня 2010 года по 15 июля 2015 года — представитель Украины при Европейском Союзе и Европейском сообществе по атомной энергии .
С 10 августа 2010 года — член делегации Украины на переговорах с ЕС по заключению Соглашения об Ассоциации .
13 мая 2013 — назначен Уполномоченным Украины по внешнеполитическим и интеграционным процессам.
15 июля 2015 года — назначен Заместителем Главы Администрации Президента Украины.
16 мая 2019 года уволен с занимаемой должности.
С июля 2019 года является председателем ОО «Центр новых решений».
В январе 2020 года Томос назвал об автокефалии ВТО катастрофой тысячелетия для России.