Nascida em Brasília, Tatiana Lemos começou a nadar aos cinco anos de idade no Rio de Janeiro na piscina do Botafogo ao lado da irmã mais velha. Anos depois passou a defender o Vasco da Gama. Depois de bons resultados nas categorias de base chegou a seleção brasileira principal e foi uma das nadadoras brasileiras mais eficientes da história em provas de revezamento.
Em 1999 disputou o primeiro de seus quatro Jogos Pan-Americanos conquistando três medalhas de bronze com os revezamentos 4x100m e 4x200m livre e 4x100m medley. Em Moscou-2002 disputou sua primeira final de Campeonato Mundial de curta com o revezamento 4x100m livre.
Nos Jogos Pan-Americanos de Santo Domingo-2003, Rio-2007 e Guadalajara-2011 ganhou mais cinco medalhas com os revezamentos 4x100m e 4x200m livre e 4x100m medley. Durante anos foi ao lado de Joanna Maranhão a maior medalhista brasileira na competição, sendo ultrapassada em 2019 por Larissa Oliveira, Etiene Medeiros e Manuella Lyrio.
Em Jogos Olímpicos, Tatiana disputou duas vezes a competição em Atenas-2004 e Pequim-2008 sempre integrando os revezamentos tendo como melhor resultados um 10º lugar com a equipe do 4x100m medley em Pequim-2008. Foi na Olimpíada chinesa também onde nadou individualmente os 100m livre terminando em 19º lugar.
Em Mundiais de longa representou o Brasil em três edições e seu melhor desempenho foi novamente com o 4x100m medley finalista e recordista continental na edição de Roma-2009. Individualmente sua melhor colocação foi o 22º lugar nos 100m livre também em Roma.
Ao longo da carreira a velocista foi recordista sul-americana dos 100m e 200m livre, além dos revezamentos. Encerrou a carreira em 2013 aos 35 anos defendendo a equipe do Grêmio Náutico União. Formada em Educação Física, Tatiana vive e trabalha atualmente nos Estados Unidos.
