La historia de las integrantes de t.A.T.u. empezó mucho antes de que se formara este grupo, con Lena Katina y Yulia Volkova. Las dos chicas nacieron con apenas cuatro meses de diferencia (octubre 1984 y febrero 1985) en Moscú, y fueron amigas desde la infancia. Ambas participaron en diferentes actividades deportivas, como patinaje, danza, o natación, y Yulia incluso tomó lecciones de tennis durante cinco años. Pero pronto se despertaría su mayor interés, la música. Con diez años, Lena formó parte de 1994 a 1997 del grupo infantil Непоседы (Neposedy),  que se traduciría como «Inquietud», y se refiere a los niños que no paran de moverse, en el que también participarían otros cantantes como Sergey Lazarev, y en el que también se incorporó Yulia, quien fue expulsada en 1998 por una serie de problemas. Lena también abandonaría el grupo poco después.

De este modo, a principios de 1998, ambas participaron en el cásting de cantantes femeninas organizado por el productor Ivan Shapovalov. La primera escogida fue Lena, que grabó un par de sencillos, pero se decidió formar un dúo, así que Yulia se añadió posteriormente al proyecto a finales de ese mismo año. Finalmente se escogió el nombre de t.A.T.u., que es una abreviación de la frase Эта девушка любит ту девушку (Eta devushka lyubit etu devushku) , traducido como «Esta chica ama a esa chica”. Los puntos y alternancias de mayúsculas y minúsculas se introdujeron para diferenciarlas de una banda australiana, Tatu. Y aunque las sus dos cantantes han sido la imagen principal del grupo, este ha estado integrado además por varios instrumentistas: Troy MacCubbin (guitarra), Sven Martin (teclados) y Domen Vajevec (bajo). En 2001 se añadiría el batería Roman Ratej.

En el año 2000 firman con la multinacional discográfica Universal y en diciembre publicaron su primer single, Я сошла с ума (Ya soshla s uma), que literalmente se traduce como «He perdido la razón», aunque en su lanzamiento en inglés se tradujo como All the Things She Said. En esta canción se describe las preocupaciones de una chica que descubre que está enamorada de otra chica, y teme la reacción de sus padres. De esta manera, el lesbianismo formó parte desde un principio de la promoción e imagen del grupo, ya que en el vídeo clip se veían a las dos cantantes vestidas como colegialas y besándose. En mayo de 2001 se publicó su primer álbum,  200 По Встречной (200 Po Vstrechnoy), que vendió medio millón de copias en pocos meses, llegando a los dos millones y alcanzando el disco de platino. Dos años más tarde, en 2003, se tradujo el álbum al inglés como  200 Km/h in the wrong lane,  y se lanzó al mercado mundial. El álbum incluía un nuevo single Нас не догонят (Nas ne Dogonyat), que en inglés se publicaría como Not Gonna Get Us. 

Con la versión en ruso, t.A.T.u. alcanzó números uno en muchos países como Alemania, Bulgaria, Eslovaquia, la República Checa, Israel, e incluso Japón, y en total vendió más de 13 millones de copias. Cuando se publicó la versión en inglés, entró en el top 20 de las listas de venta de la mayoría de los países occidentales, y su primer sencillo, All the Things She Said, llegó al número uno en Australia, Dinamarca, Alemania, Irlanda, Japón, Nueva Zelanda, Noruega, Suiza y el Reino Unido. El vídeo clip causó de nuevo controversia, y fueron acusadas de promover el lesbianismo y la pedofilia (tenían 14 años de edad), e incluso el vídeo fue censurado en algunas televisiones. Más allá de esta polémica, el vídeo obtuvo numerosos premios, como el de MTV por el mejor vídeo ruso de 2002, y ganaron en tres categorías en los World Music Awards: Mejor grupo pop, Mejor dúo y Mejor grupo dance. En abril de 2002 fueron galardonadas como “Disidentes sexuales” en el club Meletitsa de Moscú. Además de sus dos exitosos singles, otras canciones consiguieron los primeros puestos en muchas listas de venta, como Полчаса (Poslara), «Media hora«, o como se llamó en inglés, 30 Minuts, o Maльчик гей (Malchnik Gay), «Chico gay».

Ese mismo año fueron designadas representantes rusas en Eurovisión con el tema Не верь, не бойся (Ne ver’, ne boisia), «No creas, no temas«, causando polémica desde un primer momento por su altivez y mala educación de cara al público y a la organización (llegando tarde a los ensayos, y con multitud de críticas en numerosos aspectos, como el escenario y la iluminación), y su «amenaza» de besarse en pleno festival, cosa que no cumplieron. Quedaron en tercera posición tras una muy reñida votación, a sólo tres puntos de la vencedora, Turquía. Posteriormente, hubo quejas por su parte, alegando que en Irlanda no se había utilizado el televoto (por problemas técnicos), sino el jurado de reserva, y por ello no habían ganado el festival. Sin embargo, la Televisión Irlandesa publicó posteriormente los puntos que se hubieran otorgado con el televoto, y la victoria seguiría en manos de Turquía, aunque Rusia hubiera ocupado la segunda posición en detrimento de Bélgica.

En septiembre de 2003 se editó un recopilatorio de remixes, t.A.T.u. remixes. En diciembre el documental t.A.T.u. anatomy, reveló por la televisión rusa que su lesbianismo era falso y se inició una nueva polémica al sentirse engañada una parte de sus fans. Las dos chicas acusaron a Shapovalov de estar más interesado en crear polémicas y escándalos que en su música, y rompieron el contrato con el y su productora. A principios de 2004 Yulia quedó embarazada y la actividad del grupo sufrió un paréntesis hasta el nacimiento de su hija Viktoria en septiembre. Tras su separación de su productor, su discográfica, Universal Records, apoyó a las dos cantantes para que publicaran un nuevo disco.

En agosto de 2005 los singles All about us y Люди инвалиды (Lyudi invalidy), «Personas con discapacidad«, son presentados como preludio del próximo álbum, Dangerous and moving en inglés y Люди инвалиды (Lyudi invalidy) como homólogo ruso, que salieron a la venta en octubre. Aunque no alcanzó el éxito de ventas de su primer álbum, All About Us llegó al top ten de la mayoría de los países europeos, y vendió más de dos millones y medio de copias a nivel mundial. Tras la publicación del segundo single de su álbum, Friend or Foe , en marzo de 2006 recibieron el premio al Mejor Grupo en la primera edición de los premios MTV de Italia. El tercer single de su álbum Dangerous and Moving se dio a conocer en la televisión rusa en 2006, y tuvo un éxito más moderado. Su título Gomensai, era una adaptación de la palabra japonesa «perdón», Poco después se da el primer cambio en la formación del grupo, siendo sustituido el batería Roman Ratej por Steve Wilson, y entrando un nuevo bajista, Domen Vajevec, y a finales de 2006 abandonaron la discográfica Universal.

La polémica parecía formar parte de la vida de t.A.T.u., ya que el 21 de noviembre de 2006, la República de Komi (integrante de la Federación Rusa) presentó una demanda en contra del grupo por el título de su álbum y la canción Люди инвалиды (Lyudi Invalidy). Leonid Vakuev, un representante de derechos humanos para la República de Komi, citó las palabras escritas en el folleto del álbum, que decía: «Las personas con discapacidad no saben lo que significa ser un ser humano. Son falsificaciones dentro de la forma humana. Ellos no viven, pero sí la función». Como portavoz de las dos cantantes, Lena respondió que se referían a las personas «moralmente discapacitadas, las que no tienen alma ni sentimientos humanos», y defendieron su relación con las personas con discapacidad, para quienes siempre reservaban un sitio en sus conciertos. También ese año participaron en las marchas del Orgullo Gay en Moscú, dirigiéndose a todos sus fans, indicándoles que no habían «traicionado» a sus seguidores gays o lesbianas, ya que siempre habían defendido el amor sin fronteras.

Tras la gira de Dangerous and moving a lo largo de todo 2006, editan el DVD Truth, grabado en vivo en San Petersburgo en septiembre de 2007, y su primer álbum después de dejar a Universal. También publican un álbum recopilatorio de sus grandes éxitos, que fue calificado de prematuro, ya que tan sólo tenían dos CDs completos en el mercado.

En diciembre de 2007 publicaron el que sería su primer single de su nuevo álbum, que también iba a publicarse en ruso en inglés. Se tituló Белый Плащик (Beliy Plaschik), que significa «La capa blanca», y en el vídeo clip que le acompañó, de nuevo se explotaba la aparente lucha de superheroínas, la Lena por Yulia, que por aquel entonces estaba embarazada. El segundo single se laznó en mayo de 2008, y llevó por título Двести Двадцать (Dvesti Dvadtsat), que es el número 220. Ambos singles fueron recogidos en su primer y único Extended Play, llamado Управление отбросами (Upravlenie Otbrosami), y en inglés, , Hyperion Plate, y que fue publicado en mayo de 2008, incluyendo los dos singles mencionados con varios remixes, así como vídeos, tonos de llamada o fondos de escritorio.

El disco del que debían formar parte estas dos canciones estaba programado para ser lanzado en junio de 2008, pero a pocas semanas de la fecha prevista, el mánager de t.A.T.u., Boris Renski, anunció que Yulia estaba gravemente enferma, y debían cancelar los conciertos previstos, así como el lanzamiento del nuevo trabajo. En septiembre manifestaron que el título de su nuevo álbum sería Веселые Улыбки, (Vesyolye Ulybki), «Sonrisas felices», en lugar del que habían propuesto en un primer momento,  Управление отбросами (Upravleniye Otbrosami), «Gestión de residuos». El motivo fueron los comentarios sarcásticos que Yulia y Lena dirigieron a la industria musical de Rusia en una entrevista para la revista Time Out de Moscú. Poco después, todavía en setiembre, publicaron el
tercer sencillo del disco, que llevó el nombre en inglés de You and I. Finalmente, el 21 de octubre se publicó Веселые Улыбки, (Vesyolye Ulybki). En la portada podía verse la imagen de un astronauta osonriendo (aunque después sería sustituído por una imagen de Marte reflejada en su casco), pero debajo de esta portada estaba la que se había previsto lanzar cuando el álbum tenía que llevar el título de Управление отбросами (Upravleniye Otbrosami), y que efectivamente fue la que apareció en la versión inglesa, Waste Management, publicada en diciembre de 2009. En noviembre de 2008, ganaron la categoría de Leyenda Musical en los premios MTV Rusia de ese año.

La preparación del lanzamiento de la versión inglesa de su disco se llevó a cabo durante todo el año 2009. Todo ello fue precedido por el anuncio durante el mes de marzo en el que manifestaron que t.A.T.u. ya no sería el proyecto en exclusiva de sus dos componentes, ya que ambas iniciaban proyectos en solitario que querían compaginar con el grupo. En abril se lanzó el tercer single de su disco en ruso, Cнегопад  (Snegopady), «Nevadas» , y en julio la versión inglesa de la misma canción, Snowfalls. Además el 10 de mayo de 2009 actuaron de nuevo en Eurovisión, como artistas invitadas, en el intervalo de las votaciones de la primera semifinal, donde interpretaron Not Gonna Get Us junto al Coro del Ejército Rojo. El último single de sus discos en ser publicado fue la versión inglesa de 220, que se tituló Sparks, y salió a la venta en mayo de 2010.

En marzo de 2011 se publicó su último disco como grupo, que fue una colección de remixes de su álbum Waste Management, y poco después se anunció la separación definitiva del dúo. Las desavenencias personales empezaron a crecer entre sus dos integrantes . Yulia criticó a Lena por incluir canciones de t.A.T.u. en sus conciertos, y afirmó que su carrera no tendría éxito. Lena, por su parte, deseó éxito a Yulia, pero también afirmó que estaba deseando dejar atrás a t.A.T.u. y a Yulia. Lena grabó un nuevo disco en Los Angeles en el año 2011, This is Who I Am, cuyo single Never Forget llegaría al número 1 del apartado «Club» de las listas de ventas de Estados Unidos. Por su parte, Yulia grabó en Suecia su nuevo álbum, con los sencillos All because of you and Didn’t Wanna Do It, pero no tuvo el mismo éxito que Lena. En marzo de 2012, Yulia se presentó a la final nacional de Rusia para eurovisión, juntamente con Dima Bilan, en un dúo con la cacnión Back to Her Future. Quedaron en segundo lugar, tras las abuelas de Buranovskiye Babushki y su Party for Everybody. Ese mismo año, en noviembre 2012, se publicó una edición especial de 200 km/h In The Wrong Lane, para conmemorar el décimo aniversario del lanzamiento del álbum.

En diciembre de 2012, t.A.T.u. actuaron de nuevo, tras tres años de separación, en el programa «La Voz» de Rumanía. Aunque las dos integrantes manifestaron que no tenían el deseo de seguir manteniendo el grupo, no descartaron colaboraciones puntuales, o para eventos comerciales. En setiembre de 2013 ofrecieron un concierto en Kiev (Ucrania), y poco después rodaron un anuncio para una marca japonesa. En el año 2014, participaron en la ceremonia de apertura de los Juegos Olímpicos de Invierno de Sochi, en Rusia, interpretando su canción Not Gonna Get Us. Muchos medios de comunicación mostraon su extrañeza ante esta actuación, ya que el año anterior se había aprobado en Rusia la «Ley para la protección de la infancia ante la información que deniega los valores de la familia tradicional», más conocida como la «Ley anti LGTB», ya que fue usada para reprimir las conquistas sociales de este colectivo.

En los años siguientes, las malas relaciones entre Lena y Yulia se hicieron notorias en más de una ocasión. Ese mismo año, en el mes de abril, lanzaron un nuevo single, Love In Every Moment, pero para el que filmaron todas las escenas por separado. También participaron en una película, A Sight Of Cupid, que incluía diferentes historias sobre el amor, una de las cuales, Together Apart, estaba protagonizada por Yulia y Lena, aunque en Cannes, donde se presentó el film, se negaron a realizar entrevistas conjuntas. Su próxima reunión no tuvo lugar hasta el año 2016, en el 25 aniversario de la creación del grupo infantil Непоседы (Neposedy), en la que Lena interpretó su canción All Around the World, y conjuntamente con Yulia interpretaron Нас не догонят (Nas Ne Dogonyat).

En sus carreras en solitario, Lena siguió desde el año 2010 una activa carrera en Estados Unidos, donde además del ya mencionado This Is Who I Am, publicó otros singles como Waiting, Lost In This Dance, World, Just A Day, The Beast (So Not Cool), o Fed Up , tanto en ruso como en inglés. También dedicó una canción y los beneficions obtenidos por ella, Keep On Breathing, a las víctimas del tsunami de Indonesia. En marzo de 2014 se publicó su primer álbum en directo, llamado European Fan Weekend 2013 Live, y que fue grabado en su concierto en Colonia (Alemania). Su primer álbum de estudio se publicó en noviembre de 2014, con el título de This Is Who I Am, y que fue precedido por los singles Who I Am y Fed Up. Posteriormente, otra canción de este álbum, An Invitation, se publicaría también como single en marzo de 2015. En julio de 2016 publicó un disco en español, «Esta soy yo», dedicado a todos sus fans en Latinoamérica.

Desde entonces y hasta la actualidad, Lena ha publicado un nuevo álbum en octubre de 2017, Silent Hills, y el single Here I go Again en ese mismo año. En 2018 publicó cuatro singles en ruso: после нас (Posle Nas), «Después de nosotras» (en la que manifiesta echar de menos los tiempos de t.A.T.u. con su compañera Yulia Volkova), Косы (Kosy), «Trenzas»,  Куришь (Kurish) «Tu fumas», y  Макдоналдс (Makdonalds) «MacDonalds». Su último single por el momento es Стартрек «Star Trek» del 12 de abril de 2019. A nivel personal, en 2013 se casó con su pareja de los últimos tres años, el músico de origen esloveno Sasha Kuzmanović, y en 2014 dio a luz a su hijo Alexandr, en Moscú.

Yulia Volkova también ha seguido su carrera en solitario, aunque desde un principio tuvo que enfrentarse a problemas de salud. Le diagnosticaron cáncer de tiroides, y ha tenido diversas intervenciones en sus cuerdas vocales, lo que le ha impedido seguir con su carrera musical, a pesar de seguir realizando actuaciones puntuales. Además de la hija que tuvo en el año 2004 con Pavel Sidorov, con quien dejó de mantener contacto, en el año 2007 tuvo una relación con el empresario Parviz Yasimov, y ese mismo año, el 27 de diciembre, dio a luz en Moscú a su segundo hijo, de nombre Samir, aunque en el año 2010 se separó de Yasimov. En el año 2013, afirmó que se había convertido al Islam en 2010, y manifestó que se planteaba vivir en un país musulmán, pero en el año 2017 retornó a la religión ortodoxa. Dados sus problemas vocales que le han dificultado seguir con su carrera musical, actualmente trabaja en el diseño, y mantiene una línea de zapatos de bastante éxito internacional. En el año 2014 protagonizó una gran polémica con unas declaraciones extremadamente homófobas en un programa de la televisión ucraniana, donde afirmó que condenaría a un hijo suyo si fuera gay porque «un hombre de verdad tiene que ser un hombre de verdad, no tiene derecho a ser gay». Afirmó que una pareja de lesbianas le parecía mejor, pero que no estaba en contra de los gays, porque eran «mejores que los asesinos, ladrones o drogadictos». Su antigua compañera, Lena Katina, criticó duramente estas declaraciones, afirmando que «Dios nos pide que amemos y no juzguemos a otras personas… Todo el mundo debería ser libre de amar a quien quiera». A pesar de estas declaraciones, en el año 2018 Yulia seguía afirmando que era bisexual, y que su actual marido lo conocía y aceptaba.