Tatlıtuğ, beş çocuklu ailenin bir ferdi olarak 27 Ekim 1983'te Adana'da doğdu.Orta okulu Yenice Özel Çağ Lisesi'nde tamamladı. 1997'de babası kalp ameliyatı geçirince ailesiyle birlikte İstanbul'a taşındı. İstanbul Kalamış Lisesi'nden mezun oldu. İstanbul Kültür Üniversitesinde eğitimine devam etmektedir.
Dünya Güzeli seçilen Miss World 2002 Azra Akın'la 2002 yılında tanıştı ve çiftin ilişkisi 2008 yılına kadar devam etti. 2009 yılında, kendisinden 13 yaş büyük olan oyuncu Meltem Cumbul ile bir ilişki yaşayan Tatlıtuğ, bu ilişkiyi Ağustos ayında noktaladı.Şu an da tekrar Azra Akınla beraberler. Kariyerine basketbolla başlayan Tatlıtuğ'un tek hayali NBA'de basketbol oynamaktı. Adana'dayken “Fiskobirlik”, “Güney Sanayi”, “Çukurova Kulübü”, “Devlet Su İşleri” ve “Tarsus Amerikan Kulübü” gibi kulüplerde basketbol oynadı. Ülkerspor'dan teklif gelmesiyle 2 yıl orada oynadı. Ardından 1 yıl Beşiktaş, 1 yıl da Fenerbahçe'de oynadı. Tekrardan Beşiktaş'a dönen Tatlıtuğ'un antreman çalışmaları yaptığı sırada sakatlanmasının ardından basketbol kariyeri son bulmuş oldu. Basketbol oynadığı dönemde, etrafındaki insanların vücuduna yaptığı iltifatlar manken olması fikrine ısındırmıştır. Mankenlik kariyerini asıl başlatan ise annesinin bir marketin camında gördüğü mankenlik ilanıyla olmuştur.
Tatlıtuğ'un bir fotoğrafını şirkete göndermesiyle, mankenliğe adım atmış olur. Bu mesleği beğenmesiyle ardından gelen teklifleri de değerlendirmiş ve profesyonel anlamda manken olmuştur. İki yıl ajanslarla birlikte çalıştıktan sonra, 2002 Best Model of Turkey manken yarışmasına katıldı ve birinci oldu. Böylece aynı yıl içerisinde Best Model of the World'e katılmaya hak kazandı. Ardından katıldığı Best Model of the World yarışmasını da kazanan Tatlıtuğ, artık uluslararası camiada da tanınan bir isim oldu. Fransız mankenlik ajansı Success'ten gelen teklifle Paris'e yerleşti ve 1,5 yıl orada yaşadı.
Paris'te yaşadığı dönemde, birçok dizi teklifinin geldiğini öğrenen Tatlıtuğ, küçüklüğünden beri sinema ve televizyona olan ilgisi olduğundan gelen teklifleri değerlendirmek üzere Türkiye'ye döndü. Okan Bayülgen'den ve Devlet Tiyatrosu oyuncusu Laçin Ceylan'dan oyunculuk eğitimi aldı. Oyunculuğa ilk adımını 2005 yılında, Gümüş dizisiyle attı. Songül Öden ile başrolü paylaştığı dizi, Türkiye'yle birlikte Arap ülkelerinde çok beğenildi. Hatta bu popülerliği bazı ülkelerde dizinin "genel ahlaka aykırı" bulunması gerekçesiyle yayından kaldırılmasını gündeme getirdi; fakat bu durum hiç gerçekleşmedi. Gümüş'ün ardından, Menekşe ile Halil 'de Halil karakterini canlandırdı. Amerikalılar Karadenizde 2 adlı filmde oynadı.
Kariyerindeki en büyük adım ise 2008'de Beren Saat'le başrolünü paylaştığı, Halit Ziya Uşaklıgil'in aynı adlı romanından uyarlanan Aşk-ı Memnu dizisinde canlandırdığı Behlül Haznedar karakteri oldu. Behlül ile yengesi Bihter'in (Beren Saat) yaşadıkları yasak aşkı konu alan dizi, adından oldukça söz ettirdi. Dizide canlandırdığı Behlül Haznedar karakteri, Tatlıtuğ'a Altın Kelebek Ödülleri'nde "En İyi Erkek Oyuncu" ödülünü kazandırdı. 2010'da Ezel dizisinde, dizinin bitmesine yakın Sekiz adlı yan karakteri canlandırdı.
Bunun dışında birkaç reklam filminde de yer aldı. Son olarak ise Kanal D'de yayınlanmakta olan Kuzey Güney adlı dizide Buğra Gülsoy ile birlikte başrolü paylaştı.
