Начала кататься с 4 лет, чтобы поправить здоровье, у тренера А. Кислухина. Занималась одиночным катанием.
На чемпионате России 1995 года познакомилась с М.Марининым, которому не могли подобрать подходящую партнёршу. С 1996 года пара стала тренироваться у Натальи Павловой во дворце спорта «Юбилейный», в Санкт-Петербурге.
В 1999 году попали в сборную России, заняв третье место на чемпионате страны, и удачно выступили на международных соревнованиях, войдя в десятку на чемпионатах Европы и мира.
Затем, между тренером и парой произошёл конфликт из-за согласия перейти к другому тренеру — Тамаре Москвиной без ведома Н.Павловой. Павлова отказалась тренировать пару, после чего они перешли к Олегу Васильеву, переехав в феврале 2001 года жить и тренироваться в Чикаго (США). Васильев изменил стиль пары, пригласил хореографа Джузеппе Арену, над постановками продолжила работать также Светлана Король. На Олимпиаде 2002 года пара остановилась в шаге от пьедестала — они стали четвёртыми. На последующие четыре года главными соперниками Тотьмяниной и Маринина стали китайцы Шэнь Сюэ и Чжао Хунбо.
В сезоне 2002—2003 пара выиграла все старты в которых участвовала, кроме главного — чемпионата мира, где они завоевали только серебро, вслед за китайцами. Однако, уже на следующем чемпионате они наконец-то становятся первыми.
В октябре 2004 года на этапе чемпионской серии Гран-При «Skate America» Тотьмянина была госпитализирована, получив множественные гематомы и сотрясение головного мозга после падения с поддержки. Несмотря на травму, Татьяна уже через две недели вышла на лёд, чтобы продолжить подготовку к соревнованиям. Максиму Маринину понадобилась помощь психолога, чтобы преодолеть психологический барьер: он считал, что вина за случившееся в первую очередь лежит на нём. В этом сезоне, пара снова выиграла чемпионат России, чемпионат Европы и чемпионат мира.
После победы на зимних Олимпийских играх 2006 года в Турине фигуристы завершили любительскую спортивную карьеру.
После Олимпиады спортсмены взяли тайм-аут из-за загруженности в различных ледовых шоу и говорили о возможном возвращении в большой спорт. Однако, не смогли договориться с Федерацией фигурного катания по денежным вопросам и тему возвращения для себя закрыли.
В 2007 году разразился скандал, связанный с отказом Тотьмяниной и Маринина от участия в гастрольном туре Е. Плющенко «Золотой лёд Страдивари» и переходе их в аналогичный тур, организованный И. Авербухом «Ледовая симфония». Представители Плющенко и он сам утверждали, что Тотьмянина и Маринин сначала подписали контракт с их шоу, а затем перешли к конкурентам. Были заявления о намерении подать в суд на фигуристов за нарушение контрактных обязательств. Однако, Тотьмянина и Маринин утверждали, что ушли из шоу «Золотой лёд Страдивари», потому что компания-организатор не выполнила ряд условий контракта, и перед разрывом был найден компромисс, а участники конфликта решили впредь не афишировать возникающие проблемы. Вынос же этой истории на публику является личной инициативой Е. Плющенко. Никаких судебных разбирательств за конфликтом не последовало.
В 2007 и 2008 году Татьяна Тотьмянина принимала участие в телешоу Первого канала российского телевидения «Ледниковый период», где выступала в парах с певцом Никитой Малининым и телеведущим Леонидом Закошанским.
С М.Марининым
WD = снялись с соревнований