מימי הביניים התקיימה במקום מדינת בולגריה (שנקראת במקורות המודרניים בולגריה שעל הוולגה). בשנת 922 לערך קיבלה האומה הטטרית על עצמה את האסלאם מבגדאד. סמוך לתקופה זאת ביקר במדינה הנוסע הערבי אחמד אבן פדלאן. במאה ה-13 הגיעו לאזור חילותיו של באטו חאן, ובשנת 1240 שיעבדו את האוכלוסייה המקומית, שהפכה חלק מאורדת הזהב.

בשנת 1438 הוקמה באזור טטרסטן והוולגה התיכונה ממלכה עצמאית בשם החאנות של קאזאן. החאנות נכבשה על ידי הצאר איוואן האיום ממוסקבה בשנת 1550, והעיר קאזאן, בירתה, נכבשה בשנת 1552. השלטון הרוסי ניסה להמיר את הטטרים בכוח לנצרות, ולשם כך הוא הביא בישוף מיוחד לקאזאן במטרה לנצר את הטטרים, השלטון גם אסר על בניית מסגדים חדשים והגביל את חופש הפולחן. ההישג הסופי לעומת זאת היה דל, מי שהתנצר היה חלק מהאצולה הטטרית שנהפכה לאצולה רוסית, אך פשוטי העם המשיך לדבוק בדתם. פעמים רבות הטטרים מרדו ובתקופת הצרות, בין הכחדות בית ריוריק ועליית בית רומנוב בין 1593 ל-1613 שבה חאנות קאזאן להתקיים, אך כשבית רומנוב עלה לשלטון שב הצבא הרוסי לאזור. בשנים 1773–1774 נכבשה טטרסטן בידי צבאו של ימליאן פוגצ'וב, מנהיג המרד הקוזקי.

האיסור על בניית מסגדים בוטל רק בתקופת יקתרינה הגדולה. המסגדים נבנו בתקופתה בין 1767 ל-1770. ובמאה ה-18 החל לפרוח בקרב הטטרים זרם הג'דידיזם - זרם מתון באסלאם הסוני שקרא ליחס סובלני לדתות אחרות.

לאחר מהפכת אוקטובר 1917, כשרוסיה התחילה להיקרע ממלחמות פנימיות, התקיים בקאזאן כנס של מוסלמי הוולגה, ב-12 בדצמבר אותה שנה, שהכריז על הקמת מדינת אידל-אורל בין הרי אורל לוולגה. המדינה הוקמה בעיקר לבשקירים וטטרים, מוסלמים בפועל, אך אליה הצטרפו כל שאר העמים של האזור, אודמורטים, מארי, קומי, וצ'ובשים. המדינה לא הצליחה להתבסס, כי כבר באפריל 1918 היא נכבשה על ידי הקומוניסטים. הלגיון הצ'כוסלובקי ניסה להקימה מחדש ביולי, אך בסוף 1918 חזר הצבא האדום והנשיא הזמני של המדינה נאלץ לצאת לגלות בפינלנד. ב-1919 הכריזו הקומוניסטים על הקמת הרפובליקה האוטונומית הבשקירית-טטרית. הדבר לא מצא חן בעיני האדמירל אלכסנדר קולצ'ק, מפקד הצבא הלבן, והוא כבש את האזור. כעת הטטרים ראו בקומוניסטים בעלי ברית וסייעו להם לגרש את הצבא הלבן.

ב-27 במאי 1920 הוכרז על הקמת הרפובליקה האוטונומית של טטרסטן בתחומי רוסיה, בגבולות הנוכחיים. הקמת אוטונומיה הלהיבה טטרים רבים, אך רוב אזורי המחיה של הטטרים צורפו לבשקיריה, ורבים מהטטרים נאלצו להירשם כבשקירים וזכויותיהם שם נפגעו. השלטון הקומוניסטי פעל בטטרסטן כמו בשאר המקומות, אסר כל פולחן דתי, הרס כנסיות ומסגדים, ומוסדות אחרים הפך למוסדות תרבות. אנשי דת הג'דידיזם נרדפו ונאלצו לגלות למצרים ולטורקיה. ב-1927 החלו לכתוב את השפה הטטרית באלפבית לטיני, במקום באלפבית הערבי שהיה נהוג קודם לכן, וב-1939 הומצא אלפבית קירילי מותאם לטטרית, הנמצא בשימוש רשמי גם היום.

טטרים רבים נלחמו בשורות הצבא הסובייטי במלחמת העולם השנייה. בזמן המלחמה הועברו לחבל בתי חרושת רבים מהחלקים הכבושים, וחלקם נשארו שם גם לאחר המלחמה. בעקבות גילוי כמויות גדולות של נפט באזור בתקופת המלחמה והתפתחות מהירה של תעשיות נלוות, הייתה טטרסטן לאחד האזורים המתועשים ביותר ברוסיה.

בתקופת הפרסטרויקה הורגש חיזוק של התנועות הלאומניות. ב-20 באוגוסט 1990 הסובייט העליון המקומי החליט על ריבונות הרפובליקה. יחד עם זאת, הכוונה הייתה לשדרוג מעמד הרפובליקה האוטונומית בתוך מסגרת ברית המועצות. לאחר פירוק ברית המועצות והסכמה על הסכם ברית חדש, הרפובליקה נכנסה לחבר המדינות העצמאיות כאחד ממייסדי החבר. ב-27 במרץ 1992 בחבל התקיים משאל עם ומעל למחצית המשתתפים הצביעו בעד העצמאות, אם כי עוד לפני כן, בהתאם להחלטת בית המשפט לחוקה של רוסיה מ-13 במרץ 1992 המשאל הוכרז כלא-חוקי. במהלך 1992–1993 התקיימו שיחות בין ראשי הרפובליקה לבין ראשי רוסיה על הסדרת היחסים. השיחות לא הניבו תוצאות וב-30 בנובמבר 1992 התקבלה חוקת הרפובליקה החדשה ולפיה היא הוכרזה כמדינה עצמאית. למרות זאת, ב-12 בדצמבר 1993 תושבי הרפובליקה השתתפו במשאל עם בנושא חוקת רוסיה ו-75% מהמצביעים הצביעו בעד חוקה זו שלפיה החבל מהווה חלק של רוסיה. ב-15 בפברואר 1994 נחתם הסכם בין רוסיה לבין ראשי הרפובליקה על הקמת מדינה משותפת. בשנת 2000 שונתה חוקת הרפובליקה ומעתה החוקה רואה ברפובליקה חלק של רוסיה. ב-19 באפריל 2002 הושלמו כל ההתאמות בין חוקת הרפובליקה לבין חוקת רוסיה.

באוקטובר 2005 נחתם הסכם חדש המגדיר סמכויות ראשי הרפובליקה וסמכויות של השלטון המרכזי במוסקבה.