Родилась в Санкт-Петербурге, старшая из трёх детей в семье военного врача, офицера, служившего в лейб-гвардии Гренадерского полка в Царском Селе; его круг общения составляла аристократия. По словам актёра Сергея Никоненко, незадолго до смерти актриса призналась ему, что на самом деле была старше Сергея Герасимова на пять лет. Участвовала в домашних театрах, посещала балетную школу и мечтала поступить в хореографическую студию при Мариинском театре.
В 1917 году после Октябрьской революции её отец пропал без вести. В 14 лет Макарова, собрав соседских детей, создала собственную труппу; театр зарегистрировали, и ребята стали получать паёк. В 1924 году по окончании средней школы поступила в актёрскую Мастерскую Фореггера («Мастфор»). Там впервые встретилась с Сергеем Герасимовым.
В 1927 году дебютировала в кино в фильме «Чужой пиджак». На фабрику «Совкино» (ныне «Ленфильм») попала случайно, буквально с улицы: её привёл ассистент Григория Козинцева и Леонида Трауберга. На съёмках этой картины вновь встретилась с Герасимовым. Молодые люди сблизились и поженились. Вся дальнейшая творческая деятельность актрисы была связана с мужем. По его совету в 1927 году поступила на киноотделение Техникума сценических искусств, которое окончила в 1930 году.
В 1934 году впервые появилась в кинокартине Герасимова «Люблю ли тебя?» (не сохранилась). К тому времени актриса уже успела поработать с такими режиссёрами, как Всеволод Пудовкин и Иван Пырьев. Нередко снималась вместе с мужем. Однако Всесоюзный успех пришёл к ним в 1936 году с выходом на экраны фильма «Семеро смелых». Далее последовала череда удачных совместных работ: «Комсомольск» (1938), «Учитель» (1939), «Маскарад» (1941). Последняя картина была закончена перед самой Великой Отечественной войной.
Темы Великой Отечественной войны и блокады Ленинграда занимают значительное место в творчестве актрисы. До 1943 года оставалась в городе. Макарова участвовала в организации обороны, работала инструктором в политуправлении фронта, сандружинницей, медсестрой в одном из госпиталей. В том же году супруги вступили в ВКП(б). По слухам, их фамилии значились в нацистских списках людей, которые подлежали уничтожению в первую очередь; они ушли из дома и жили на казарменном положении на «Ленфильме».
Их совместной работой в этот период стал фильм «Непобедимые» (1942) о героической борьбе советского народа. Фильм был поставлен Герасимовым совместно с Михаилом Калатозовым, и актриса сыграла в нём одну из главных ролей. Всего на киностудии «Ленфильм» проработала 16 лет (с 1927 по 1942 год).
Затем супруги отправились в глубокий тыл, в Ташкент. Там они усыновили Артура — сына сестры Макаровой, Людмилы, и её мужа, немца по национальности, объявленных «врагами народа» и отправленных в ссылку: Макарова на одном из приёмов прямо обратилась к Сталину и попросила отдать ей мальчика на воспитание; впоследствии он стал известным писателем и кинодраматургом. Военной тематике, тылу была посвящёна следующая работа супругов — кинолента «Большая земля» (1944). Возвращаться из эвакуации в Ленинград семья не стала, они перебрались в Москву.
С 1943 года Макарова преподавала во ВГИКе, который позже стал носить имя Герасимова; в 1968 году стала профессором учебного заведения. Вместе с мужем руководила объединённой мастерской. Делу преподавания отдавались до конца, были одной семьёй со студентами, часто задействовали их в своих картинах. Первый же выпуск целиком снялся в фильме «Молодая гвардия» (1948), который вывел на орбиту целую плеяду молодых актёров: Инну Макарову, Нонну Мордюкову, Сергея Гурзо, Сергея Бондарчука, Вячеслава Тихонова, Клару Лучко, Виктора Авдюшко, Людмилу Шагалову, Евгения Моргунова.
Среди учеников супружеской пары были Татьяна Лиознова, Людмила Гурченко, Зинаида Кириенко, Наталья Фатеева, Жанна Болотова, Евгений Жариков, Лариса Лужина, Сергей Никоненко, Галина Польских, Лидия Федосеева-Шукшина, Наталья Аринбасарова, Наталья Белохвостикова, Наталья Бондарчук, Наталья Гвоздикова, Аким Салбиев, Николай Ерёменко-младший и многие другие. Особенно трепетно Макарова — у которой не было собственных детей — относилась к Николаю Губенко, детдомовцу, потерявшему родителей в Великую Отечественную войну: через сокурсников она передавала ему деньги, а во время занятий «учила манерам» его и ещё двух неимущих студентов, заставляя опустошить пятилитровую кастрюлю с едой.
Тамара Макарова и Сергей Герасимов не были профессионально зависимы друг от друга. Актриса была не менее успешна в фильмах других режиссёров («Каменный цветок» (1946), «Клятва» (1946)), да и Герасимов был самостоятельной творческой единицей. Несмотря на родственные связи, актриса появляется только в четвёртом его фильме, да и в дальнейшем он часто обходился без неё («Тихий Дон» (1958), «У озера» (1969), «Красное и чёрное» (1976)).
С начала 1950-х годов снималась значительно реже, в основном в фильмах мужа. Также была соавтором сценария дебютного фильма Татьяны Лиозновой «Память сердца» (1958) и автором либретто фильма «Люди и звери» (1962).
Член Союза кинематографистов СССР.
Семья Муж — Сергей Герасимов (1906—1985), кинорежиссёр, актёр и педагог. Герой Социалистического Труда (1974), народный артист СССР (1948).
Приёмный сын — Артур Макаров (1931—1995), писатель и киносценарист. Сын родной сестры Людмилы Макаровой.
Семья Сергея Герасимова и Тамары Макаровой была одной из немногих в стране, где оба супруга одновременно являлись народными артистами СССР.
Последние годы Смерть мужа в 1985 году стала для Макаровой большим ударом: перестала сниматься, но продолжала преподавать во ВГИКе. В 1995 году выпустила книгу воспоминаний «Послесловие». В том же году был убит приёмный сын Артур Макаров. Убийцы не были найдены. Впоследствии актрисе также поступали звонки с угрозами и требованием расплатиться по долгам сына.
Скончалась 19 января 1997 года на 90-м году жизни в Москве. Похоронена на Новодевичьем кладбище (участок № 10).
