De son nom complet Tarsem Dhandwar Singh, Tarsem Singh commence ses études en Inde, son pays natal, puis les poursuit aux Etats-Unis où il sort fraîchement diplômé du Art Center College of Design de Pasadena, en Californie. Ses premiers éloges, il les obtient grâce à son clip vidéo "Losing My Religion" pour le groupe de rock R.E.M., lui permettant de remporter plusieurs MTV Awards.

A la fin des années 90, il entreprend de réaliser son premier film. C'est chose faite en 2000 avec The Cell, un thriller fantastique à l'image soignée, lissée, très esthétique et qui plus est, porté par Jennifer Lopez, alors icône du moment. Tarsem Singh est alors perçu comme un cinéaste méticuleux et perfectionniste. Son deuxième film, il le signe en 2006 avec The Fall, dont il rédige également le scénario. Ce projet lui prend quatre ans de travail et est tourné dans plus de 20 pays différents. Malheureusement, le réalisateur ne trouve que trop peu de distributeurs et doit se résigner : son film est un échec. En 2008, il rejoint l'équipe de David Fincher au casting technique de L' Etrange histoire de Benjamin Button. Il y dirige alors la seconde unité de réalisation. Dès lors, le cinéaste se fait rare... 

Il faut attendre 2011 pour le retrouver derrière la caméra, année où il signe son premier blockbuster, Les Immortels, un péplum à la soirée de 300 et du Choc des Titans. Associé aux producteurs de 300, il y dirige un casting 4 étoiles, notamment composé de Mickey Rourke, Henry Cavill, Freida Pinto ou encore Stephen Dorff. L'année suivante, il enchaine avec sa deuxième grosse production hollywoodienne. Après la myhologie, Tarsem Singh s'attaque à l'univers des contes de fées. Son Blanche Neige est une version colorée et décalée du conte des Frères Grimm avec Lily Collins dans le rôle titre et Julia Roberts en méchante reine.

Tarsem Singh revient en force en 2015 avec un thriller d'anticipation, genre qu'il avait délaissé depuis 15 ans. Ce projet ambitieux intitulé Renaissances est un mélange de Looper et Time Out. Ben Kingsley y incarne un homme vieillissant dont la conscience est transférée dans le corps de Ryan Reynolds.