Estudia en Penza en la escuela local de arte, marchando a Moscú en 1910. Durante estos años descubre y se inicia en la tradición del expresionismo
y del fauvismo ,
trabajando en estrecha colaboración con Goncharova y Larionov, que influyen notablemente en su pintura. Hacia 1912 se inclina por la estética futurista, orientando su pintura a un expresionismo estructurado por volúmenes cúbicos. En el verano de 1913 se traslada a París, donde visita a Picasso, cuya obra le inspira sus posteriores Relieves pintados, Construcciones en relieve y Relieves en esquina. En ellas utiliza el relieve tridimensional en lugar de un ilusorio espacio pictórico y un assemblage polimaterial cubo-futurista, que les hacen ser el ejemplo más temprano del arte concreto. Su arte, profundamente enraizado en la lógica del material, le hace emerger como líder de la escuela de arte constructivista, en oposición al suprematismo de Malevitch, rivalidad patente en la exposición 0.10. La Última Exposición Futurista, celebrada en 1915. Tras la Revolución de Octubre de 1917, se lanza con entusiasmo a la organización de la nueva vida artística, sin llegar a sistematizar sus experiencias y formar una doctrina. En 1920 se le encarga el diseño del Monumento a la Tercera Internacional; de éste sólo realiza el modelo, expuesto en Moscú (1921) y en París (1925), pero se convierte en el símbolo más sobresaliente del constructivismo soviético. A partir de este momento Tatlin sigue enseñando y se introduce, poco a poco, en el ámbito de la decoración teatral. A finales de los veinte y principios de los treinta, dedica sus energías al diseño de un planeador: Letatlin, que nunca llega a volar. En 1977 se celebra en la Casa Central de los Escritores de Moscú una exposición que abarca la mayor parte de su obra.