Город основан 17 апреля 1636 г. по указу царя Михаила Фёдоровича на холме при слиянии рек Цны и Студенца как город-крепость для защиты южной границы Московского государства от набегов кочевников. Своё предназначение город выполнил: за всё время своего существования он ни разу не был захвачен врагом.
В 1779 г. именным указом Екатерины II было образовано Тамбовское наместничество, во главе которого стал генерал-губернатор граф Р.И.Воронцов. В 1781 г. был утверждён герб Тамбова – улей и три пчелы на лазоревом фоне. В 1796 г. Тамбовское наместничество было переименовано в губернию. По размерам площади она в 2 раза превосходила территорию современной Тамбовской области.
С 1786 по 1789 г. Тамбовское наместничество возглавлял русский поэт и общественный деятель Г.Р.Державин, которому, в частности, Тамбов обязан геометрически строгим, удобным расположением улиц. Кроме того, он основал в городе театр, типографию, первую в России провинциальную газету «Тамбовские известия», народное училище.
С середины XVIII в. Тамбов начал развиваться как торгово-экономический центр, который славился по всей России как рынок мяса, сала, мёда, породистых лошадей.
В первой половине XIX в. в Тамбове открылись цифирная школа, духовная семинария, гимназия, публичная библиотека, институт благородных девиц, учительский институт, историко-этнографический музей.
К концу XIX в. в городе появились предприятия металлообрабатывающей промышленности, переработки сельскохозяйственной продукции. В послевоенные годы Тамбов стал одним из основных центров химического машиностроения. Появились заводы, выпускающие преимущественно военную продукцию.
Сегодня Тамбов стал также университетским городом: здесь два видных университета – технический и классический.
В Тамбове работают четыре театра: областной Драматический, театр кукол, студенческий при ТГУ им. Г.Р.Державина и молодёжный театр. Есть концертный зал, четыре музея, картинная галерея, 19 муниципальных библиотек, несколько кинозалов и домов культуры.
На территории города насчитывается более трёх десятков памятников культуры, истории, архитектуры. Наиболее примечательные из них – Покровская церковь и Вознесенский женский монастырь; костёл Воздвижения Креста Господня; дом-дворец фабриканта М.В.Асеева (сегодня здесь находится кардиологический санаторий); бывший приют для слепых детей (сегодня колледж искусств); дом с мезонином в стиле русского ампира на территории бывшей усадьбы дворян Лукьяненко (сегодня музей медицины); здание бывшего Дворянского собрания (сейчас здесь располагаются драматический и кукольный театры).
В городе установлены памятники Г.Р.Державину, М.Ю.Лермонтову, С.Н.Сергееву-Ценскому, С.В.Рахманинову, а также уникальный в своём роде памятник Тамбовскому мужику. В мае 2010 г. к 65-летию Победы в Парке Победы был установлен памятник Ветерану.