Comme les Celtes qui vivaient dans la région, les Romains ont appelé la rivière Thamesis. La Tamise était un important moyen de transport entre Londres et Westminster aux XVIe et XVIIe siècles. La guilde des pêcheurs faisait l'aller-retour entre Londres et Westminster en ferry. L'un d'eux, John Taylor, le poète de l'eau (1580-1653), a décrit le fleuve dans un poème.
Au 17ème et 18ème siècle, à une époque que certains appellent le "petit âge glaciaire", la Tamise gelait souvent en hiver. Cela a conduit à la première "Frost Fair" en 1607, avec un village de tentes installé sur le fleuve et offrant de nombreux divertissements, comme le bowling sur glace. La dernière fois que le fleuve a gelé, c'était en 1814. La construction d'un nouveau pont de Londres en 1825 a peut-être contribué à l'empêcher de geler : le nouveau pont avait moins de piliers que l'ancien, ce qui permettait à la rivière de couler plus facilement et l'empêchait de couler assez lentement pour geler pendant les hivers froids.
Au XVIIIe siècle, la Tamise était l'une des voies navigables les plus fréquentées au monde, Londres devenant le centre du très grand Empire britannique. À cette époque, l'une des pires catastrophes fluviales d'Angleterre a eu lieu le 3 septembre 1878 sur la Tamise, lorsque le bateau de plaisance Princess Alice, très fréquenté, s'est écrasé sur le château de Bywell, tuant plus de 640 personnes.
Lors de la "grande puanteur" de 1858, la pollution du fleuve est devenue si importante que la Chambre des Communes de Westminster a dû cesser de siéger. Les autorités acceptent une proposition de l'ingénieur civil Joseph Bazalgette. Il a déplacé les effluents vers l'est le long d'une série d'égouts interconnectés. Ceux-ci s'inclinaient vers des émissaires situés au-delà de la zone métropolitaine.
L'arrivée du transport ferroviaire et du transport routier, et le déclin de l'Empire dans les années qui ont suivi 1945, ont rendu le fleuve moins important qu'il ne l'était. Londres elle-même n'est plus beaucoup utilisée comme port, et le "Port de Londres" s'est déplacé le long du fleuve jusqu'à Tilbury. La Tamise a été grandement assainie et la vie a repris ses droits.
Au début des années 1980, le barrage de la Tamise a été ouvert pour contrôler les inondations. Elle est utilisée plusieurs fois par an pour arrêter les dégâts des eaux dans les zones de basse altitude de Londres en amont du fleuve.
De nombreux ponts et tunnels traversent la Tamise, notamment le Tower Bridge, le London Bridge, le Lambeth Bridge et le Dartford Crossing.
En septembre 2011, un comédien britannique, David Walliams, a nagé sur toute la longueur de la rivière (140 miles), récoltant plus d'un million de livres sterling pour une association caritative appelée Sport Relief. Le jour du Nez Rouge, les gens nagent dans la Tamise pour une œuvre de charité.
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