Tatjana Tchumatchenko ist eine international renommierte Vorreiterin der computergestützten Modellierung und mathematischen Analyse von einzelnen Neuronen und rekurrenten Netzwerken. Daneben hat sie bahnbrechende Entdeckungen auf dem Feld der neuronalen Proteindynamik gemacht. Neben der großen Bedeutung ihrer Arbeiten für die Grundlagenforschung ergeben sich daraus auch vielversprechende neuartige Ansätze im Bereich der Krankheitserforschung (zum Beispiel Chorea Huntington) sowie der Trainingsalgorithmen für künstliche neuronale Netzwerke.
Ihre Forschungsleistungen wurden national und international ausgezeichnet, unter anderem mit dem Heinz Maier-Leibnitz-Preis und einem ERC Starting Grant. 2018 wurde sie vom Fokus Magazin als eine von 25 Menschen ausgewählt, die die nächsten fünfundzwanzig Jahre in Deutschland prägen würden.
Als Professorin an der Universitätsmedizin Mainz setzt sie ihre wissenschaftlichen Arbeiten fort und kooperiert mit ihren Mainzer Kolleginnen und Kollegen unter anderem im Profilbereich ReALity (Resilience, Adaptation and Longevity), wo sie verschiedene Aspekte der Gehirnentwicklung, neuropsychiatrischer Erkrankungen und der Entwicklung von Resilienz erforscht.