С 2000 года выступает также как кинорежиссёр; его фильмы «Клетка» (2000) и «Запределье» (2006) отличаются изысканным видеорядом и балансированием на грани сна и реальности.
Детство провёл в Иране, где работал его отец, а затем в Гималаях, куда отец направил его учиться. Учился в школе Бишопа Коттона в Шимле, затем в Университете Дели. В 24 года переехал в США, о чём сам режиссёр вспоминал так: «В Индии я увидел книгу под названием «Путеводитель по киношколам Америки» и просто обалдел от неё. Она изменила мою жизнь, потому что до этого я думал, что идти в колледж нужно для того, чтобы изучать что-то, что любит твой отец, а ты сам ненавидишь. Я сказал отцу, что хочу изучать кино, а он ответил, что никогда не допустит, чтобы я занимался этим. Но я поехал в Лос-Анжелес и снял фильм, благодаря которому получил стипендию в колледже искусств. Отец думал, что я собираюсь в Гарвард. Когда я позвонил ему и сказал, что буду изучать кино, он ответил: «Ты для меня больше не существуешь».
Тарсем окончил художественный колледж в калифорнийском городе Пасадина. Карьеру режиссёра начал в 1990-е годы как клипмейкер. Среди наиболее известных его видеоклипов — «Hold On» («En Vogue»), «Sweet Lullaby» («Deep Forest») и другие. Наиболее успешным стало видео на песню «Losing My Religion» группы «R.E.M.», которое выиграло в шести номинациях на «MTV Video Music Awards» в 1991 году. На стилистику этого клипа, по признанию режиссёра, во многом повлияли образы картин Караваджо и фильмов Тарковского.
Затем Тарсем обратился к рекламе (которую он снимает и в настоящее время). Всего на его счету десятки рекламных роликов для таких известных брендов, как Nike, Coca-Cola, Pepsi, Motorola, Levi's и другие.
Дебютом в качестве кинорежиссёра стала полнометражная картина «Клетка» («The Cell») 2000 года с Дженнифер Лопес в главной роли; в этом фильме, повествующем о путешествии женщины-психолога по подсознанию серийного убийцы, была отчасти использована стилистика видеоклипа «Losing My Religion».
В течение нескольких лет Тарсем снимал свой второй фильм «Запределье» («The Fall»), впервые показанный на фестивале в Торонто в сентябре 2006 года; только в 2008 году он был выпущен на DVD и прошёл в ограниченном прокате в нескольких странах. Здесь он выступил также в роли сценариста и продюсера для того, чтобы полностью воплотить своё видение фильма (работу над которым он начал ещё 17 лет назад). При этом в основу сюжета был положен сценарий Валери Петрова для болгарского фильма «Йо-хо-хо» (1981) режиссёра Зако Хеския. «Запределье» снималось в 24 странах.
Был одним из кандидатов в режиссёры фильма «Константин: Повелитель тьмы» (2005). Выступил в роли режиссёра второй группы на съёмках сцен в Индии для фильма «Загадочная история Бенджамина Баттона» (2008).
В настоящее время живёт в Лондоне и Лос-Анжелесе. Должен выступить режиссёром фильма «Война богов» по древнегреческим мифам, посвящённым подвигам Тесея.