Compie a Bologna la propria formazione culturale, sia come pittore, alla scuola del classicista Bagnacavallo, sia come architetto, in un ambiente che risente delle novità portate al nord da Giulio Romano e dal Serlio.

Fondamentale è comunque, dal 1547 al 49, il soggiorno romano che lo pone in contatto con l'opera dei manieristi e di Michelangelo, e i cui frutti sono evidenti nelle prime opere compiute a Bologna: gli affreschi con Storie di Ulisse in palazzo Poggi (1549) e quelli, del 1555 ca., della cappella Poggi in S. Giacomo Maggiore (anche l'architettura degli edifici è attribuita al Tibaldi) sono infatti una versione originalissima dei modelli michelangioleschi, di cui costituiscono una rielaborazione intellettualistica, ironica e giocosa. Non ancora del tutto chiarita è l'attività del Tibaldi (ricordato anche come ingegnere militare ad Ancona e Ravenna) anteriore al suo arrivo in Lombardia, dove operò poi per tutta la vita.

Decisivo per la sua affermazione fu l'incontro con Carlo Borromeo, grazie al cui appoggio l'artista ottenne importanti commissioni: a Pavia il collegio Borromeo (1564); a Milano il cortile della Canonica degli Ordinari del Duomo (1565), la chiesa di S. Fedele (1569), prototipo delle chiese controriformiste lombarde, il tempietto ottagonale di S. Carlo al Lazzaretto (1576-92), la chiesa di S. Sebastiano (1577).

Nelle opere citate come in molte altre (si ricordano S. Gaudenzio a Novara, 1577; la facciata della Madonna dei Miracoli a Saronno, 1583; il santuario di Rho, 1584) Tibaldi accentuò i caratteri di un'architettura intellettualistica, scomponendo in entità autonome il codice morfologico del classicismo e riaggregandole per strutture ritmiche dissonanti, in una sorta, per dirla con Vasari, di «licenza... ordinata nella regola». La sua architettura, pertanto, escludendo ogni forma di canonizzazione delle tipologie architettoniche e decorative e usando gli ordini funzionalmente, come intelaiatura tridimensionale dell'edificio, approda a risultati profondamente diversi da quelli contemporanei di Vignola, anche nell'elaborazione dello schema della chiesa controriformistica (versione sperimentale il S. Fedele, canonica, invece, il Gesù di Roma).