Le Larousse :

tout-petit, tout-petits (nom masculin)
Très jeune enfant ; bébé.

Cela semble logique : ce sont des « petits » en premier, mais ensuite on renforce ce fait en ajoutant « tout » pour dire « très petit ».

Sur ce post, cetrocomix offre une réponse technique : l’adverbe « tout » est invariable s’il se trouve devant un masculin et « petit » est masculin.
À confirmer cependant, car je suis loin d’être un expert 😉

Aussi à noter, il semble que cela soit un nom-composé : tout–petit avec un tiret. Mais j’ai du mal à avoir une réponse exacte, le littré/CNRTL n’étant plus à jour depuis des décennies… Par contr– (woops) en revanche, la forme existe dans le LeFFF.