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, ввел понятие фононов – звуковых квантов. Применив квантовую механику к теории металлов, в 1932 показал возможность существования особых состояний электронов на поверхности кристаллов (уровни Тамма). Совместно с Д.Д.Иваненко в 1934 создал полевую теорию ядерных сил, исходя из которой в 1935 Х.Юкава предсказал существование нейтрино. Наибольшую известность принесло Тамму создание теории эффекта Черенкова – слабого голубого свечения, испускаемого полупрозрачной средой при прохождении через нее g-квантов. В теории, изложенной в 1937, Тамм и И.М.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. 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.