Родилась в Перми в семье Ивана и Натальи Тотьмяниных. Через семь лет родители расстались. Мать, которая в свое время занималась фигурным катанием, ради спортивной карьеры дочери отказалась от спорта. Работала в проектном институте.
С четырех лет начала ходить с мамой на каток. Занималась одиночным катанием под руководством своего первого тренера — Андрея Кислухина. Была одной из самых усердных учениц.
В 14-летнем возрасте переехала с матерью в Санкт-Петербург. Было нелегко. Сначала жили на деньги, которые присылал отец. Затем мать много и упорно работала, чтобы дочь могла заниматься у профессиональных тренеров, а также помогала ей в учебе: выполняла задания по черчению, сидела в библиотеках, писала рефераты.
После окончания школы поступила в Санкт-Петербургскую государственную академию физкультуры имени Лесгафта.
С 1995 года перешла в парное катание и начала кататься с Максимом Марининым, с которым познакомилась на чемпионате России. Он стал на многие годы постоянным и единственным партнером. С 1996 года пару тренировала Наталья Павлова.
В 1997 году были включены в состав сборной России. В 1999 году заняли третье место на чемпионате страны.
В 2001 году переехали с Марининым в США и начали тренироваться под руководством Олега Васильева. Прожили в Чикаго пять с половиной лет.
В 2002 году дебютировали на Олимпийских играх, но были лишь четвертыми.
Осенью 2004 года на этапе серии Гран-при «Skate America» получила серьезную травму головы: после неудачной поддержки партнера упала на лед, ударившись головой, и потеряла сознание. Травма оказалась тяжелой, несколько месяцев пришлось провести в больнице под наблюдением врачей.
В начале 2006 года вновь вышла на лед и в этом же году победила на XX зимних Олимпийских играх в Турине.
В 2006 году после Олимпиады покинула большой спорт. В этом же году Татьяна Тотьмянина и Максим Маринин подписали контракт на участие в проекте Евгения Плющенко «Золотой лед Страдивари», однако в одностороннем порядке расторгли договор, чтобы выступать в шоу Ильи Авербуха.
В 2006 году приняла участие в телешоу «Звезды на льду» на Первом канале в паре с Алексеем Пимановым, ведущим программы «Человек и закон».
Также принимала участие в новогодней сказке «Пока часы 12 бьют» и в ледовом шоу «Россия ждет», продюсерами и режиссёрами которого выступила знаменитая танцевальная пара Илья Авербух — Ирина Лобачёва.
В 2007 году принимала участие в проекте Первого канала «Ледниковый период» в паре с певцом Никитой Малининым.
В 2008 году участвовала в продолжении «Ледникового периода», сначала партнером был виджей MTV Александр Анатольевич, но они не нашли общий язык. С первых тренировок в паре начались разногласия. Александр Анатольевич очень болезненно реагировал на все замечания прославленной фигуристки. Новым партнером Тотьмяниной стал ведущий программы «Ты не поверишь!» на НТВ Леонид Закошанский.
В 2008 году пара Татьяна Тотьмянина и Максим Маринин получили премию «Хрустальный лед» в номинации «Преодоление». В этом же году Татьяна поступила на заочный факультет Школы телевидения «Останкино».
В 2008 году принимала участие в ледовом спектакле Ильи Авербуха «Ледовая симфония».
В 2010-м выступает в мюзикле на льду «Огни большого города», режиссер-постановщик Илья Авербух.
В 2012 году принимала участие в проекте «Ледниковый период: Кубок профессионалов». На разных этапах каталась в паре с Максимом Марининым, Алексеем Тихоновым, Повиласом Ванагасом, Максимом Шабалиным, Андреем Хвалько, Русланом Гончаровым, Максимом Стависким, Александром Жулиным, Петром Чернышевым и Романом Костомаровым.
В сентябре 2013 года Татьяна Тотьмянина поступает на факультет спортивной психологии. Учеба не помешала участию Татьяны в проекте Первого канала «Ледниковый период» в паре с актером Оскаром Кучерой (2013 г.).
В этом же году по приглашению хореографа-постановщика Ильи Авербуха и компании «Ледовая симфония» приняла участие в ледовом музыкальном спектакле «Мама» по мотивам сказки «Волк и семеро козлят».
В 2014 году Татьяна Тотьмянина в паре с Максимом Марининым принимала участие в новом этапе шоу «Ледниковый период. Кубок профессионалов» на Первом канале в составе команды «Сборная России» (продюсер и режиссер проекта Илья Авербух). Состязания поделены на два этапа: командное и индивидуальный зачет, как и на Олимпийских играх в Сочи.
2 октября 2015 года у Алексея Ягудина и Татьяна Тотьмяниной родилась вторая дочь, которую назвали Мишель.
Супруг (гражданский брак) — Алексей Ягудин, фигурист
Дочь — Елизавета (20.11.2009)
Дочь — Мишель (02.10.2015)
▪ Заслуженный мастер спорта России
В паре с Максимом Марининым:
▪ Бронзовый призер чемпионата России (1999-2001)
▪ Серебряный призер чемпионата Европы (2001)
▪ Чемпионка Европы (2002-2006)
▪ Серебряный призер чемпионата России (2002)
▪ Серебряный призер чемпионата мира (2002, 2003)
▪ Чемпионка России (2003-2005)
▪ Победительница финала соревнований серии Гран-при (2003, 2006)
▪ Серебряный призер финала соревнований серии Гран-при (2004)
▪ Чемпионка мира (2004, 2005)
▪ Олимпийская чемпионка (2006)
▪ Орден Почета (2007)