Родилась в городе Свердловск, Свердловская область, РСФСР, СССР. Отец - партийный работник. Мать - домохозяйка. Кроме Тамары, в семье было ещё две дочери. Во время Великой Отечественной войны, будучи подростком, работала на заводе, также ухаживала за ранеными в госпитале. После войны отца перевели в Киев, где он занимался восстановлением разрушенной украинской столицы. В 1947 году в Киеве окончила театральную студию при Русском театре им. Леси Украинки. Далее переехала в Ленинград, где училась на актерском факультете Ленинградского театрального института на курсе Бориса Зона. Однако ленинградский вуз пришлось оставить из-за заманчивого предложения на съёмки в кино. В 1950 году дебютировала в кино в военной драме Константина Юдина «Смелые люди», сыграла одну из главных ролей - Надежду Воронову. Фильм был снят в редком для советского кино жанре вестерна и повествовал о работниках конного завода, которые во время войны на оккупированной территории создали партизанский отряд. В пятидесятые годы фильм стал рекордсменом кинопроката, а Тамара Чернова получила всесоюзную известность. После съемок в фильме «Смелые люди» была принята на второй курс Школы-студии МХАТ, по окончании которой в 1953 году вошла в состав труппы Театр имени Моссовета, прослужила там до 1991 года. В 1991 году Тамара Чернова из-за болезни ног и сердца была вынуждена уйти из театра, также перестала появляться на экране. Исключением стал фильм 1998 года «Бедная Лиза», в котором она сыграла мать Лизы.