托爾曼出生於美國麻省的上層家庭，父親是一個大工廠的廠長，母親信仰基督教。她常常給孩子們灌輸一些如何過平靜生活和遇事要勇於思考的思想意向。托爾曼自幼就在本地的優等學校上學，中學畢業後按家庭要求，考入著名的麻省理工學院學習電子化學，1911年獲得學士學位。由於大學時期閱讀過詹姆士的《心理學原理》而受到其思想影響，畢業後，他放棄理化專業，轉而攻讀心理學和哲學，考進了哈佛大學。關於這次轉學的另一原因，1925年托爾曼在自傳中說到，那是因為不願和哥哥競爭。當時他的哥哥已從麻省理工學院畢業，而且在理論物理和化學方麵取得了優良成績。由此可以見到，青年時期托爾曼爭強好勝的性格。原來，托爾曼是一位華生式的行為主義者，後來在哈佛大學攻讀博士學位時，他的導師霍爾，原本是直接繼承詹姆士講座的名教授，是早期華生式的激進行為主義者。托爾曼在霍爾的思想影響下，再加上他自己以前閱讀過詹姆士的《心理學原理》，因而深受詹姆士的機能心理學和霍爾的激進行為主義思想的影響。霍爾還受過馮特傳統的訓練與內省心理學的影響，因此，在準備博士論文時期，於1912年托爾曼曾專程到德國格色大學向格式塔心理學家考夫卡學習心理學。1915年他獲得哲學博士學位，1918年受聘擔任加利福尼亞大學比較心理學教授，指導用白鼠進行學習的實驗室工作。1923年他發表成名之作：《動物和人的目的行為》，自稱是個“目的行為主義者”。這時候，即20世紀20年代初，華生的行為主義已經流行於美國各地。托爾曼的大作上市之後，讀者們看了都發生疑問，心想：“有目的的行為”，不就是“意識行為”嗎?這怎麼是行為主義呢?但讀者在看了全書之後，覺得該書作者確實是個行為主義者。
原來，托爾曼在書中解釋說，我根本不考慮行為者是否有意識，意識是個人的私事，我也不知道它。但是，有機體的行為總是有目的的。我們見到一個人走進食品店，我們就會想到，他可能是餓了，是去買吃的；白鼠走迷津是為了找食物；兒童學習是為了獲得知識等等行為總是有目的的，這是任何人都觀察到的事實。接著他就給出如下的幾點解釋：
首先，整體行為。他把人們觀察得到的行為叫做外顯行為。和華生用S—R公式表示的行為區別開。他指出，這樣的行為是一個整體行為，任何整體的行為動作都包括環境的刺激、有機體的心理過程和反應。在這裏，有機體的心理過程把刺激和動作反應結合起來，成為最初原因和最後動作的中介。因此，心理過程是決定者，它決定有機體接受刺激之後會做出什麼樣的反應，即s—o—R。所以，有機體的心理過程(o)在整體行為中起著中介作用。他認為，最有意義的心理決定者是心理過程中的目的和認知。
其次，整體行為的目的、認知性。托爾曼說，如果把環境刺激比作槍枝上的觸發器，那麼目的和認知這些內在的心理過程就是真正爆發彈殼的引信。一個整體的行為就是由引信引起的一連串因果事件鏈條活動的結果。為了進一步說明問題，他又提出“中間變量”概念。他說，作為心理過程的決定者所包含的目的和認知，有許多可變的因素。例如環境的刺激(s)，生理上的內驅力(P)，如餓、渴、性、遺傳，以前的訓練(T)和年齡(A)。他把這些變量叫做實驗變量或自變量。它們是由實驗者安排的獨立變量，是可以由實驗者控製的。所以又稱為實驗變量。行為就是這些實驗變量的函數。寫成公式：行為變量B=fX(s、P、H、T、A)，公式的意思是行為變量因實驗(獨立)變量的改變而改變：在托爾曼看來，通過這一公式，原來不可以觀察到的心理過程就可以通過推理得到、能夠看得見和說清楚事實。例如，內驅力(P)餓，它是個中間變量。原本有機體內部的狀態是無法觀察到的，如今就可以用“多長時間沒有給實驗動物喂食了”，或者“它上次吃了多少食物”等實驗動物進食的時間和一次喂食物的數量推算出來。這是可以客觀地觀察到和數量化的，從而也就符合華生行為主義提出的客觀性和數量化的要求。
再者，認知圖譜。這是托爾曼獨創的用語。為此，他設計了兩套實驗：“地點學習”實驗和“反應學習”實驗。他通常用十字架形的迷津進行實驗。“地點學習”的實驗是，將食物放在固定的地點，實驗鼠需要右轉或左轉才能吃到食物，如下圖中的第一組圖所示。“反應學習”則是將食物放在不同的地點。如果白鼠從十字架的一個末端出發，隻有轉到選擇點的右邊才能找到食物。如果從十字架的另一端出發，它也要通過右邊才能發現食物。如圖中的第二組圖所示。