По всей вероятности, княжество было образовано в результате русско-византийского соглашения, заключенного после похода киевского князя Владимира Святославовича на Корсунь (Херсонес) в 988 году. В летописном своде «Повести временных лет» есть упоминание о том, что Владимир Святославович передал Тмутараканское княжество своему сыну Мстиславу Владимировичу, который в 1022 году покорил касогов и в ознаменовании победы основал в городе Тмутаракань церковь Пресвятой Богородицы (ее фундамент был открыт во время раскопок 1952-1955 годов археологом Б.А.Рыбаковым). В 1023 году касоги подняли восстание в то время, когда князь отправился в Чернигов, и подвергли тмутараканские земли значительному разорению. Помимо касогов и русов в Тмутаракани проживали греки, хазары, аланы. Территория княжества была небольшой, но оно занимало стратегически важное место, позволявшее контролировать Подонье, Кубань и нижнюю Волгу. К тому его столица была центром епархии, что делало ее местным религиозным центром.
После смерти Мстислава в 1036 году власть над княжеством переходит к Ярославу. А после смерти Ярослава Мудрого в 1054 году черниговские земли вместе с Тмутараканью перешли к его четвертому сыну Святославу. Во 2-й половине XI века в княжестве правили его сыновья (Глеб Святославович). В 1059 и 1077 годах город для строительства второй христианской церкви посетил знаменитый русский летописец Никон. В 1066 году власть над землями захватил Ростислав Владимирович (внук Ярослава Мудрого), однако через год он был отравлен византийцами и скончался. По желанию местных жителей, на княжеский трон был возвращен Глеб Святославович (? – 1066, 1067–1069). После его смерти стал править его брат Роман, в 1077 и 1078 годах к нему прибыли бежавшие родственники. В 1079 году Роман был убит половцами, а его брат Олег был захвачен в плен и сослан в Византию по киевского князя Всеволода, имевшего соглашение с императором Никифором III Вотаниатом.
После этого княжеством стал править киевский посадник – боярин Ратибор, но в 1081 году его захватили в плен князья-изгои Давыд Игоревич и Володарь Ростиславович. В 1083 году с византийского флота в Тмутаракани вновь воцарился Олег Святославич, который стал ближайшим союзником (вассалом) Византии в регионе. В это время половецкие племена фактически отрезали земли Тмутараканского княжества от Руси. В 1094 году Олег предпринял успешный поход на Чернигов и принял активное участие в междоусобице. Правил, по всей видимости, до своей смерти в 1115 году. По косвенным источникам можно судить о том, что Тмутараканское княжество между 1159 и 1169 годами окончательно перешло под контроль Византии и русские князья перестали претендовать на эти земли. После сражения на реке Калке в 1224 году остатки Тмутараканского княжества вошли в состав Золотой Орды.
