На счету Игоря Тамма целый ряд фундаментальных открытий. Он разработал теорию рассеяния света в кристаллах, ввел понятие квазичастицы (фотона), предсказал существование поверхностных уровней электрона в кристалле («уровни Тамма»), что сыграло ключевую роль в изучении поверхностных эффектов и контактных свойств металлов и полупроводников. Вместе с Андреем Сахаровым он предложил принцип магнитного термоядерного удержания плазмы, который лег в основу токамаков — установок для управляемого термоядерного синтеза.
Однако самым известным его достижением стало объяснение эффекта Вавилова — Черенкова — свечения электронов, движущихся в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. За эту работу в 1958 году Тамм совместно с Ильей Франком и Павлом Черенковым получил Нобелевскую премию.
Вместе с такими гигантами, как Капица, Ландау, Зельдович, Семенов, Игорь Тамм является представителем уникальной плеяды великих советских физиков, благодаря работе которых СССР вошел в число ведущих научных держав планеты, получив приоритет во многих областях — в частности, реализовав беспрецедентные атомные и космические проекты.