Воспитанница спортивного клуба «Дзержинец» (Пермь).
На Чемпионате Европы 2002 в Мюнхене Томашова завоевала бронзовую медаль на дистанции 1500 м. На Чемпионате мира 2003 в Париже она стала чемпионкой на этой же дистанции. Томашовой удалась защита этого титула и на Чемпионате мира 2005 в Хельсинки. На Чемпионате Европы 2006 в Гётеборге она стала чемпионкой Европы.
На Олимпийских играх 2004 в Афинах она стала обладательницей серебряной медали на дистанции 1500 м.
31 июля 2008 года Международная федерация легкой атлетики (ИААФ) отстранила Гульфию Ханафееву, Светлану Черкасову, Елену Соболеву, Дарью Пищальникову, Татьяну Томашову, Юлию Фоменко и Ольгу Егорову от участия во всех соревнованиях из-за подозрения в подмене допинг-проб: оказалось, что в пробах, взятых в апреле – мае, августе – сентябре 2007 года, а также 21 июля 2008 года не совпадает ДНК. Всероссийская федерация легкой атлетики приняла решение дисквалифицировать россиянок на два года с момента взятия проб. Таким образом, к лету 2009 года семь спортсменок должны были быть допущены к соревнованиям. Но IAAF осталась недовольна приговором ВФЛА, сочтя его слишком мягким и обратилась в спортивный арбитраж, который удовлетворил жалобу международной ассоциации, хотя и не увеличил дисквалификацию до 4 лет, как того требовали в IAAF. Суд постановил, что срок дисквалификации должен был начать свой отсчет с 3 сентября 2008 года (для Ольги Егоровой - с 20 октября) – с момента отстранения от соревнований. Завершится дисквалификация для всех спортсменок 30 апреля 2011 года. Общий ее срок составил два года и девять месяцев. После дисквалификации спортсменка планирует вернуться в спорт.