Adana'dayken “Fiskobirlik”, “Güney Sanayi”, “Çukurova Kulübü”, “Devlet Su İşleri” ve “Tarsus Amerikan Kulübü” gibi kulüplerde basketbol oynadı. Ülkerspor'dan teklif gelmesiyle 2 yıl orada oynadı. Ardından 1 yıl Beşiktaş, 1 yıl da Fenerbahçe'de oynadı. Tekrar Beşiktaş'a dönen Tatlıtuğ'un antrenman sırasında sakatlanmasının ardından basketbol kariyeri son bulmuş oldu.
Mankenlik kariyerini başlatan, annesinin bir marketin camında gördüğü mankenlik ilanıyla olmuştur. Oğlunun bir fotoğrafını şirkete göndermesiyle, Tatlıtuğ mankenliğe adım atmış olur. Bu mesleği beğenmesiyle ardından gelen teklifleri de değerlendirmiş ve profesyonel anlamda manken olmuştur. İki yıl ajanslarla birlikte çalıştıktan sonra, 2002 Best Model of Turkey manken yarışmasına katıldı ve birinci oldu. Böylece aynı yıl içerisinde Best Model of the World'e katılmaya hak kazandı. Ardından katıldığı Best Model of the World yarışmasını da kazanan Tatlıtuğ, artık uluslararası camiada da tanınan bir isim oldu. Fransız mankenlik ajansı Success'ten gelen teklifle Paris'e yerleşti ve 1,5 yıl orada yaşadı. Paris'te yaşadığı dönemde, birçok dizi teklifinin geldiğini öğrenen Tatlıtuğ, küçüklüğünden beri sinema ve televizyona olan ilgisi olduğundan gelen teklifleri değerlendirmek üzere Türkiye'ye döndü. Okan Bayülgen'den ve Devlet Tiyatrosu oyuncusu Laçin Ceylan'dan oyunculuk eğitimi aldı.
İlk olarak Gümüş adlı dizide canlandırdığı Mehmet karakteriyle adını duyuran Tatlıtuğ, ardından Menekşe ile Halil adlı dizide Halil karakterini canlandırmıştır. Sonrasında Halid Ziya Uşaklıgil'in aynı adlı romanından uyarlanan Aşk-ı Memnu dizisinde oynamıştır. Behlül karakterini canlandırdığı dizide, başrolü Beren Saat ile paylaştı.
2010'da Ezel dizisinde 4 bölüm konuk oyuncu olarak oynadı ve bu dizide Sekiz karakterini canlandırdı. 2011-2013 yılları arasında ise Kuzey Güney adlı dizide Kuzey rolünü oynamıştır. Kurt Seyit ve Şura dizisinde, Farah Zeynep Abdullah ile başrolü paylaşmıştır. Oyuncu Eylül 2016'da, Star TV'de yayınlanan ve yapımcılığını Ay Yapım'ın üstlendiği Cesur ve Güzel adlı diziyle, 2 yıl aradan sonra oyunculuğa devam etmiştir. 22 Kasım 2018 itibarıyla Show TV'de yayınlanan Çarpışma dizisinde Kadir karakterini canlandırmıştır.
Filmografi
2007 Amerikalılar Karadeniz'de 2 Muzaffer
2010 Oyuncak Hikayesi 3 Ken Seslendirme
2013 Kelebeğin Rüyası Muzaffer Tayyip Uslu En İyi Erkek Oyuncu
Televizyon
2005-2007 Gümüş Mehmet Şadoğlu
2007-2008 Menekşe ile Halil Halil Tuğlu
2008-2010 Aşk-ı Memnu Behlül Haznedar
2011-2013 Kuzey Güney Kuzey Tekinoğlu
2014 Kurt Seyit ve Şura Kurt Seyit
2016-2017 Cesur ve Güzel Cesur Alemdaroğlu
2006 Acemi Cadı Bir bölüm
2010 Ezel Sekiz / Ramiz Karaeski