Como os celtas que viviam na região, os romanos chamavam o rio Tâmisa. O Tâmisa foi um caminho importante entre Londres e Westminster nos séculos 16 e 17. A guilda de homens de água levava os londrinos de ida e volta de balsa. Um deles, John Taylor, o Poeta da Água (1580-1653), descreveu o rio em um poema.
Nos séculos 17 e 18, numa época em que alguns chamam a "Pequena Era do Gelo", o Tâmisa muitas vezes gelou no inverno. Isto levou à primeira "Feira do Gelo" em 1607, com uma cidade de barracas montada no rio com muitas diversões estranhas, como o boliche de gelo. A última vez que o rio congelou foi em 1814. A construção de uma nova Ponte de Londres em 1825 pode ter ajudado a impedi-lo de congelar: a nova ponte tinha menos pilares do que a antiga, permitindo que o rio fluísse mais facilmente, e impedindo-o de fluir lentamente o suficiente para congelar nos invernos frios.
No século XVIII, o Tamisa era uma das vias fluviais mais movimentadas do mundo, já que Londres se tornou o centro do grande Império Britânico. Durante esta época, um dos piores desastres fluviais da Inglaterra ocorreu em 3 de setembro de 1878 no Tamisa, quando o barco de recreio Princesa Alice bateu no Castelo Bywell matando mais de 640 pessoas.
No "Grande Fedor" de 1858, a poluição no rio tornou-se tão ruim que a Câmara dos Comuns em Westminster teve que deixar de sentar. As autoridades aceitaram uma proposta do engenheiro civil Joseph Bazalgette. Ele deslocou o efluente para o leste ao longo de uma série de esgotos interconectados. Estes se inclinavam para fora da área metropolitana.
A chegada do transporte ferroviário e rodoviário, e o declínio do Império nos anos após 1945, tornaram o rio menos importante do que era. Londres em si não é mais utilizada como porto, e o "Porto de Londres" se mudou rio abaixo para Tilbury. O Tamisa foi muito limpo, e a vida voltou a suas águas mortas.
No início dos anos 80, a Barreira do Tamisa foi aberta para controlar as inundações. Ela é usada muitas vezes por ano para impedir os danos causados pela água nas áreas baixas de Londres no alto do rio.
Há muitas pontes e túneis que atravessam o Tamisa, incluindo a Ponte da Torre, Ponte de Londres, Ponte Lambeth e a Travessia de Dartford.
Em setembro de 2011 um comediante britânico, David Walliams, nadou toda a extensão de 140 milhas do rio levantando mais de £1 milhão para uma instituição de caridade chamada Sport Relief. No Dia do Nariz Vermelho, as pessoas nadam o Tâmisa para caridade.
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