Тодор Тагарев завършва Математическа гимназия "Акад. Кирил Попов" в град Пловдив. През 1982 г. завършва Висшето военновъздушно училище "Георги Бенковски" в Долна Митрополия като инженер по автоматика и телемеханика. През 1989 г. защитава дисертация във Военновъздушната инженерна академия "Н. Е. Жуковски" в СССР, а през 1994 г. - в Командно-щабния колеж на ВВС на САЩ.

От 1999 г. е старши научен сътрудник II степен (доцент) по приложение на принципите и методите на кибернетиката, а от 2014 г е професор по същата специалност.

От 1982 до 1986 г. служи в бойно поделение на ВВС.

От 1989 до 1992 г. е преподавател във ВВВУ "Г. Бенковски". От 1994 до 1998 г. е научен сътрудник последователно в Института по управление и системни изследвания и Института за космически изследвания на БАН, където продължава да работи като старши научен сътрудник от 2002 г. до 2004 г.

От 1999 до 2001 г. е последователно директор на Дирекция "Планиране на отбраната" и "Политика по въоръженията" в министерство на отбраната.

От 2004 до 2008 г. е ръководител на катедра "Мениджмънт на отбраната" във Военна академия "Г. С. Раковски".

От 2005 до 2008 г. Тодор Тагарев е член на Борда за изследвания и технологии на НАТО и национален представител в неговия панел "Системни анализи и проучвания".

От 2008 г. е в Института по паралелна обработка на информацията на БАН, сега Институт по информационни и комуникационни технологии, като ръководител на секция "Информационни технологии в сигурността" и на Центъра по мениджмънт на сигурността и отбраната.

В периода септември 2009/2010 г. е съветник на министъра на отбраната по въпросите на стратегическия отбранителен мениджмънт.

От 13 март до 29 май 2013 г. е министър на отбраната в състава на служебното правителство на Марин Райков.

От 3 май 2016 г. проф. Тодор Тагарев е назначен за директор на Института по отбрана, но на 31 март 2017 г. е освободен от служебния министър на отбраната о.з. бр. ген. Стефан Янев. Според МО на РБ това е заради "подмяна на тактико-техническите задания" на проектите за закупуване на нов тип изтребител.

За да защити доброто си име, през м. юни 2017 г. проф. Тагарев завежда иск срещу министерството на отбраната. В решение по гр. дело 7714/2017 г. СГС намира, че аповедта за прекратяване на трудовия договор на проф. Тагарев противоправна. Съдът приема, че разпространението на злепоставяща проф. Тагарев информация за извършени дисциплинарни нарушения е противоправна и дава основание да се ангажира отговорността на министерството за претърпените неимуществени вреди, настъпили в резултат от разпространението на злепоставяща информация.