A moszkvai állami egyetemen szerzett diplomát 1918-ban. 1924-ben már az egyetem professzora lett. A Szovjetunió különféle felsőoktatási intézményeiben tanított, matematikai fizikából szerzett doktorátust, majd 1934-ben a Lebegyev Fizikai Intézet elméleti részlegének vezetője lett. Tudományos eredményeit a fényelektromos hatás, a szilárd testekben való fényszóródás, a részecskefizika és a termonukleáris reakció területén érte el. Az elemi részecskék kölcsönhatásait leíró módszerét Tamm-módszernek nevezik. Az atomenergia békés alkalmazásai iránt érdeklődött, ezért foglalkozott a szabályozott termonukleáris reakció megvalósításának módszereivel. 1958-ban Pavel A. Cserenkovval és Ilja M. Frankkal megosztva fizikai Nobel-díjat kapott a Cserenkov-sugárzás értelmezéséért.