Балерина родилась 25 февраля (9 марта) 1885 года в Петербурге в семье танцовщика императорской труппы Платона Карсавина и его жены Анны Иосифовны, урожденной Хомяковой, дочери двоюродного брата (то есть внучатой племянницы) известного славянофила А. С. Хомякова. Брат - Лев Карсавин, русский философ.
В 1902 году окончила Императорское театральное училище, где постигала основы балетного мастерства у педагогов Павла Гердта, Александра Горского и Энрико Чекетти, затем вошла в состав труппы Мариинского театра. Карсавина быстро достигла статуса примы-балерины и исполняла ведущие партии в балетах классического репертуара — «Жизель», «Спящая красавица», «Щелкунчик», «Лебединое озеро», «Карнавал» и др. С 1909 года по приглашению Сергея Дягилева Карсавина начала выступать в организованных им гастролях артистов балета России в Европе, а затем в Русском балете Дягилева. Наиболее заметными работами балерины в период сотрудничества с Дягилевым были ведущие партии в балетах «Жар-птица», «Призрак розы», «Петрушка» (постановка Михаила Фокина), «Треуголка», «Женские причуды» (постановка Леонида Мясина) и др.
Исполняла роль Бельгии в спектакле-пантомиме «1914», автор и режиссер-постановщик кн. С. М. Волконский (премьера 6 января 1915 в Мариинском театре). Спектакль был «выпускным вечером» Курсов Ритмической гимнастики, закрывшихся с началом Первой мировой войны.
В 1917 году Карсавина вышла замуж за британского дипломата Генри Брюса и в 1918 году уехала вместе с ним в Лондон. В эмиграции она, не прекращая выступать на сцене и гастролировать с Русским балетом Дягилева, занималась преподавательской деятельностью. Кроме того, в начале 1920-х балерина появилась в эпизодических ролях в нескольких немых кинофильмах производства Германии и Великобритании — в том числе в картине «Путь к силе и красоте» (1925) с участием Лени Рифеншталь. В 1930—1955 годах занимала должность вице-президента Королевской академии танца.
Тамара Карсавина умерла 26 мая 1978 года в Лондоне в возрасте 93 лет.
Карсавина выведена как одна из главных героинь рассказа Агаты Кристи из серии «Таинственный мистер Кин» [уточнить]
В сериале "Империя под ударом" в роли Тамары Карсавиной снялась Илзе Лиепа.