Татьяна родилась в спортивной семье. Её мать - Людмила Чернова - олимпийская чемпионка игр XXII Олимпиады 1980 года в эстафете 4 х 400 м, а отец - Сергей Чернов - известный советский десятиборец, который является одним из её тренеров.
Первого большого успеха добилась в 2005 году, выиграв золотую медаль юношеского чемпионата мира по лёгкой атлетике. В следующем 2006 году Чернова повторила свой успех, став чемпионкой мира среди юниоров. В 2008 году её включили в сборную команду России для участия в летних Олимпийских играх 2008 года в Пекине, где она стала четвёртой, но после дисквалификации попавшейся на повторном употреблении допинга украинки Людмилы Блонской получила бронзовую медаль.
В 2011 году стала чемпионкой мира с лучшим результатом сезона в мире, обыграв действующую чемпионку мира и Европы Джессику Эннис из Великобритании. При этом, Татьяна Чернова стала первой в истории семиборкой, которая выиграла юношеский чемпионат мира, а потом стала победительницей и взрослого мирового первенства.