Работы Тамма посвящены классической электродинамике, квантовой механике, теории твердого тела, физической оптике, ядерной физике, теории элементарных частиц, проблемам термоядерного синтеза. В 1930 Тамм построил квантовую теорию рассеяния света в кристаллах, впервые произвел квантование акустических волн, введя понятие фононов звуковых квантов. В этой работе рассмотрены как рэлеевское рассеяние света в кристаллах, так и комбинационное, незадолго до этого открытое Л.И.Мандельштамом и Г.С.Ландебергом. В 1931 развил квантово-механическую теорию фотоэффекта, которая стала исходной для многочисленных теоретических исследований в области квантовой теории металлов. Применив квантовую механику к теории металлов, в 1932 показал возможность существования особых состояний электронов на поверхности кристаллов (уровни Тамма). В 1934 совместно с Д.Д.Иваненко создал полевую теорию ядерных сил, исходя из которой в 1935 Х.Юкава предсказал существование мезона. Одним из крупнейших достижений Тамма стало объяснение эффекта Черенкова слабого голубого свечения, испускаемого полупрозрачной средой при прохождении через нее g-квантов. В теории, изложенной в 1937, Тамм и Франк показали, что свечение испускают не g-кванты, а выбиваемые ими электроны, движущиеся в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде. Теория Тамма Франка лежит в основе работы детекторов быстрых заряженных частиц (черенковских счетчиков). В послевоенные годы Тамм обратился к проблемам термоядерного синтеза. Работал над вопросами взаимодействия релятивистских частиц. В 1945 дал приближенный метод анализа взаимодействия частиц, отличный от метода возмущений. В 1950 высказал идею термоизоляции плазмы сильным магнитным полем, сформулировал концепцию магнитного термоядерного реактора. Тамм создал школу физиков-теоретиков. Среди его учеников В.Л.Гинзбург, М.А.Марков, Д.И.Блохинцев, Л.В.Келдыш.
Умер Тамм в Москве 12 апреля 1971.
Игорь Евгеньевич Тамм. М., 1974
Тамм И.Е. Собрание научных трудов. М., 1975
Воспоминания о И.Е.Тамме. М., 1981