Elle commença à chanter dès six ans avec l'aide de son professeur, tout en prenant des cours de piano en parallèle. Elle poursuivit ses études dans l'école supérieure de musique Académie Sibelius, à Kuopio où elle commença à apprendre la flûte. Puis c'est au lycée de Savonlinna qu'elle s'ouvrit au théâtre et au chant classique qui devint rapidement sa matière de prédilection. En 2002, elle acheva ses études de chant classique au sein de l'académie de musique de Karlsruhe en Allemagne.
Tarja connaît déjà Tuomas Holopainen, co-fondateur et claviériste de Nightwish, depuis son enfance. En effet, ils jouaient tous deux dans la même formation de jazz à l'école primaire. En juillet 1996, Tuomas proposa à Tarja de chanter sur la démo de son groupe, qui deviendra le premier album de Nightwish : Angels Fall First. Lorsqu'il l'entendit chanter, Tuomas fut agréablement surpris. En effet, la jeune fille qui chantait du jazz quelques années auparavant chantait à présent comme à l'opéra et faisait des vocalises. Sa voix se révéla très adaptée aux compositions de Tuomas. Leur premier album fut ainsi produit par Spinefarm Records. Tarja déclare dans une interview réalisée pour le magazine Métallian : « le mélange chant classique et métal n'a donc jamais été prémédité puisqu'il (Tuomas) ne savait pas du tout que je chantais de cette façon, lorsque j'ai rejoint le groupe
En 2004, Tarja sort un single solo de chants de Noël intitulé Yhden Enkelin Unelma (Le rêve d'un ange).
Le 21 octobre 2005 les quatre membres décidèrent de renvoyer Tarja du groupe. En effet, la jugeant trop axée sur le business et l'argent alors que Nightwish est avant tout la volonté de créer une musique originale, les quatre musiciens ont adressé une lettre ouverte à Tarja dans les coulisses, après la fin de leur dernière tournée End of an Era qui se clôturait par un concert à Helsinki devant près de 12000 personnes. Tarja s'est dit choquée par cette décision, bien qu'elle eût avoué vouloir quitter le groupe à l'issue de leur prochain album prévu pour 2007. Les quatre garçons n'ont visiblement pas voulu attendre cette date. Tarja a également annoncé qu'elle continuerait donc sa carrière seule. En 2006, Tarja Turunen a sorti un album de reprises de chants traditionnels de Noël. Elle a ensuite fait une tournée en Finlande et en Russie.
Tarja travaille actuellement sur son prochain album au Grouse Lodge Studios (Irlande) avec le producteur Daniel Presley et ses musiciens : Torsten Stenzel (claviers), Earl Harvin (batterie), Alexander Scholpp (guitare), Doug Wimbish (basse). La sortie de l'album (qui s'appelle "My winter storm") est prévue pour fin 2007.
