En 2009, il termine avec la Tunisie à la quatrième place du championnat du monde cadet. Deux ans plus tard, il remporte la médaille de bronze au championnat du monde junior.
Le , il signe un contrat de trois ans avec le HBC Nantes[3]. Aymen Toumi rejoint le club de Montpellier AHB pour la saison 2015-2016 et ce pour un an[4]. En 2016, il signe un contrat de trois ans avec Montpellier[5].
Le , il remporte la médaille d'or au championnat d'Afrique, en battant l'Égypte avec la sélection tunisienne, mais se blesse lors de la finale de la compétition, souffrant d'une rupture du tendon d'Achille droit le contraignant à mettre un terme à sa saison[6]. Quelques mois plus tard, Montpellier gagne la Ligue des champions de l'EHF, Toumi ayant marqué 23 buts au cours de la saison.
Cependant, il est mis à pied par son club le , dans l'attente d'un entretien préalable à un éventuel licenciement. Il lui est reproché d'avoir participé à des paris sportifs concernant le handball[7]. Son coéquipier en équipe nationale, Amine Bannour, qui évolue à Chambéry et lui aussi concerné par cette affaire, est mis à pied le puis licencié pour faute grave le . Il n'apparaît ainsi plus dans l'effectif de Montpellier pour la saison 2018-2019.