Родилась 7 февраля 1947 года в Ленинграде.
Закончила отделение английской филологии филологического факультета Ленинградского государственного университета. Специализировалась в области экспериментальной фонетики. До 1998 года работала в Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН в лабораториях биоакустики, функциональной асимметрии мозга человека и сравнительной физиологии сенсорных систем (ведущий научный сотрудник). Заместитель директора НБИК Центра Курчатовского института.
В 1977 году защитила кандидатскую, а в 1993 году докторскую диссертацию «Эволюция языковых и когнитивных функций: физиологические и нейролингвистические аспекты». Доктор биологических наук, доктор филологических наук, профессор (СПбГУ, филологический факультет).
Занималась экспериментальными и клиническими исследованиями ментального лексикона носителей русского языка.
По её инициативе в 2000 году впервые была открыта учебная специализация «Психолингвистика» (на кафедре общего языкознания филологического факультета СПбГУ). Читает курсы «Психолингвистика», «Нейролингвистика» и «Когнитивные процессы и мозг» для студентов и аспирантов филологического и медицинского факультетов СПбГУ, Смольного института свободных искусств и наук, а также для аспирантов Европейского университета в Санкт-Петербурге.
Неоднократно была приглашённым лектором в крупнейших университетах США и Европы, координатором международных симпозиумов.
Ведёт цикл телевизионных передач на канале «Культура» — «Звёздное небо мышления» и «Петербург — Пятый канал» — «Ночь», рубрика «Интеллект».
В 2006 году избрана иностранным членом Норвежской академии наук.
9 января 2010 года указом Президента РФ Татьяне Владимировне Черниговской было присвоено почётное звание «Заслуженный деятель науки РФ».