På 600- og 700-tallet ble den nåværende republikkens territorium tatt i besittelse av tyrkiske stammer, de såkalte protobulgarerne, som gradvis assimilerte den lokale finsk-ugriske befolkningen. På 900-tallet oppstod det en løs statsdannelse med sentrum i Bolgar (sør for dagens Kazan). På samme tid antok innbyggerne islam. I 1238 ble volgabulgarernes stat erobret av mongolene. Dagens volgatatarer oppsto gjennom en assimilering av volgabulgarene og de nye herskerne. Etter Den gylne hordes sammenbrudd ble khanatet i Kazan grunnlagt 1436; dette ble innlemmet i Moskva-riket av Ivan IV 1552, og det foregikk deretter en utstrakt russisk innflytting til regionen. Perioder med tvangskonvertering av muslimene vekslet med perioder med større toleranse. På 1700-tallet ble det anlagt manufakturindustri i området, og Kazan fikk universitet 1804. Fra midten av 1800-tallet var Kazan et sentrum for jadidismen, en islamske moderniseringsbevegelse. Under den russiske borgerkrigen i kjølvannet av oktoberrevolusjonen 1917, var det forsøk på å etablere en egen statsdannelse. I 1920 opprettet sovjetmyndighetene en autonom republikk (Den tatarske ASSR).
Under perestrojka oppstod det flere nasjonalistbevegelser i Tatarstan, og republikken førte an i den såkalte «suverenitetsparaden». 30. august 1990 vedtok republikken en suverenitetserklæring og 21. mars 1992 ble det avholdt en folkeavstemning om full uavhengighet. Vel 60 % stemte for uavhengighet og for at forholdet til Russland skulle reguleres gjennom en bilateral avtale. En slik avtale ble undertegnet i februar 1994. Selv om Tatarstan ble innrømmet betydelig selvstyre, forble republikken en del av Russland. Under president Putins styre har Moskva forsøkt å reintegrere republikken.
Tatarene teller ca. 5,5 millioner og er dermed den største folkegruppen i Russland etter russerne, men bare vel to millioner av dem bor i Tatarstan. Etniske russere utgjør ca. 40 % av befolkningen i Tatarstan.