Tatlin crebbe in Ucraina e, dopo aver viaggiato tra Europa e Asia come marinaio mercantile, si avvicinò all'arte popolare tradizionale e alla pittura di icone. Studiò arte a Mosca, dove incontrò Michail Larionov ed entrò in contatto con il Raggismo. Nel 1914 viaggiò a Berlino e Parigi, dove visitò lo studio di Picasso e conobbe il Cubismo. Nello stesso anno iniziò a sperimentare forme più astratte, utilizzando legno, metallo e vetro per realizzare rilievi e controrilievi scultorei. Dopo la Rivoluzione russa, applicò all'arte i principi della produzione industriale e progettò il Monumento alla Terza Internazionale, noto anche come Torre di Tatlin, che non fu mai realizzato. Diresse il Dipartimento di Cultura Materiale a Pietrogrado e, dagli anni Venti, insegnò in diverse istituzioni artistiche. Fu inoltre tra i promotori del Museo di Cultura Artistica di Pietrogrado. Tra il 1929 e il 1932 lavorò al Letatlin, un velivolo sperimentale. Con l'affermarsi del Realismo socialista, tornò alla pittura figurativa, continuando a occuparsi di scenografia e arti applicate fino alla morte.