Архитектурный облик Тамбова был определен в 1781 году, когда утверждался генеральный план с радиальной системой улиц, согласно которому основная часть города располагалась на левом берегу Цны. Число сохранившихся памятников архитектуры 17 века невелико. В 1667 году в Тамбове старцем Иосифом был основан Казанский мужской монастырь.
Трегуляевский мужской Иоанно-Предтечев монастырь
В 1685 году епископом Тамбовской епархии Питиримом близ Тамбова заложен Трегуляев Предтеченский монастырь, в 1690 году им же основаны Вознесенский женский монастырь и Спасо-Преображенский кафедральный собор. На территории Казанского монастыря сохранились памятники храмовой и гражданской архитектуры: Покровская церковь (1763-1769) с шатровой колокольней; Казанская церковь (1791); бывший Архиерейский дом (1791).
Центр Тамбова - Соборная площадь, где ранее располагалась Тамбовская крепость. На ней расположено здание главпочтамта (1786), за два века подвергавшееся многочисленным перестройкам. К архитектурным памятникам Тамбова относят Гостиный двор (1836-1737), сиротский дом (первая половина 19 в.), реальное училище (вторая половина 19 в., ныне средняя школа), Дворянское собрание (1897), Нарышкинская читальня (1892), дом Суворова (начало 19 в.), дом Протасьевых (1830-е гг.), дом Асеева (1903-1906). В архитектуре Тамбова памятники разных стилей - от классицизма и эклектики до модерна.
С Тамбовом связаны имена многих деятелей российской культуры и государственности. Здесь находилась усадьба Баратынских, где часто бывал поэт Е. А. Баратынский. В имении Селиверстово Тамбовской губернии родился композитор А. Н. Верстовский. В Тамбовской гимназии учились философ Н. Ф. Федоров и дипломат Г. В. Чичерин.
В городе бывал один из создателей Козьмы Пруткова поэт А. М. Жемчужников. Среди воспитанников реального училища Тамбова - архитектор В.А. Щуко и кинорежиссер Л. В. Кулешов.
В Тамбовском музыкальном училище учился дирижер и виолончелист М. Л. Ростропович. В Моршанске (60 км от Тамбова) родился футболист и хоккеист Всеволод Бобров. Тамбов тесно связан с литературной историей России. В первой половине 19 века он был описан М. Ю. Лермонтовым в поэме "Тамбовская казначейша" (предположительно, Лермонтов был в Тамбове в 1835-1836). В 1920-х годах Тамбов был сатирически описан Андреем Платоновым в повести "Город Градов". Сам Платонов жил в Тамбове в 1926-1927 годах.
К достопримечательностям Тамбова относятся его музеи и монументы. Это краеведческий музей, дом-музей Чичерина, музей истории медицины. В Тамбове много памятников людям, жизнь которых была связана с городом - памятник М. Ю. Лермонтову (1941), Зое Космодемьянской (1947), писателю С. Н. Сергееву-Ценскому (1975), воинам-землякам, погибшим в Афганистане.
В городе действуют драматический театр и театр кукол, филармония. Пользуются популярностью парковые зоны города, в основном располагающиеся на правом берегу Цны. У многих парков Тамбова своя история, в них сохранены экосистемы тамбовского леса. В окрестностях города расположены Архиерейский лес, лесопарк "Дружба", Пригородный лес.