תמרה מקרובה נולדה בסנקט פטרבורג. אביה היה רופא צבאי. כבר בגיל 14 אספה ילדים מהסביבה והקימה תיאטרון ילדים. בשנת 1924, לאחר סיום בית הספר, החלה מקרובה ללמוד משחק. בבית הספר למשחק שבו למדה פגשה לראשונה את סרגיי גרסימוב. בשנת 1927 היא החלה להצטלם בסרט, ובמהלך הצילומים פגשה שוב את גרסימוב והשניים נישאו.
ב-1936 הופיעה מקרובה בסרט "שבעת האמיצים", בבימוי בעלה. הסרט זכה לפופולריות רבה. בהמשך השתתפה בסרטים נוספים של גרסימוב. בשנת 1941 זכתה בפרס ברית המועצות על השתתפותה בסרטו של בעלה, "המורה". במהלך מלחמת העולם השנייה היה הזוג בלנינגרד הנצורה, ומקרובה התנדבה כחובשת וגם השתתפה בסרט על תושבי ומגיני העיר. בשנת 1943 עזבו השניים את העיר, ובאותה שנה אימצה מקרובה את בן אחותה שהיה למעשה יתום, עקב מעצרה של אחותה. למקרובה לא היו ילדים נוספים.
ב-1944 חזרו מקרובה וגרסימוב למוסקבה והחלו ללמד ב-VGIK. רוב תלמידיהם מאותה תקופה השתתפו בסרט "המשמרת הצעירה" לפי ספרו של אלכסנדר פדייב. ב-1946 השתתפה מקרובה בסרט "השבועה", עבורו זכתה בפרס ברית המועצות בפעם השנייה.
החל מסוף שנות ה-50 של המאה ה-20 צמצמה מקרובה את השתתפותה בסרטים ולמעשה הצטלמה רק בסרטי בעלה. ב-1984 השתתפה בפעם האחרונה בסרט של סרגיי גרסימוב, ששיחק את לב טולסטוי ומקרובה שיחקה את אשתו.
מקרובה הקדישה את רוב זמנה לעבודה ב-VGIK. בשנת 1968 התמנתה לפרופסור של מוסד לימודים זה. במהלך עבודתה ב-VGIK הובילה מקרובה יחד עם בעלה 10 קבוצות שחקנים. בין תלמידיה היו שחקני ידועי שם בברית המועצות. היא הייתה ידועה ביחסה החם לסטודנטים שלה וגם לאחר סיום הלימודים דאגה לתעסוקתם בתעשיית הקולנוע.