Перші поселення на території нинішнього Тарнобжеґа датуються приблизно Х століттям. З XIV століття історія сучасного Тарнобжеґа була тісно пов'язана з дворянською родиною Тарновських. З ініціативи цієї сім'ї 23 травня 1953 король Сигізмунд III Ваза видав і затвердив статут міста, дозволив будівництво Дзиковського замку (або замку Тарновських) і домініканських монастиря та церкви, яка стала відома завдяки іконі Дзиковської Божої Матері.
Тарнобжеґ протягом свого існування відіграв важливу роль в історії державотворення Польщі. Саме тут на захист короля Станіслава Лещинського була проголошена Дзиковська конфедерація. З 1772 року місто було включено до складу Австрії і територіальних володінь королівства Галичини і Лодомерії. Такий адміністративний устрій тривав до 6 листопада 1918 року, аж поки у Тарнобжезі була проголошена Тарнобжезька республіка. У 1919 році відбулося відтворення Другої Тарнобжезької республіки і Тарнобжеґ увійшов до складу польської держави. Під час Другої світової війни було повністю знищене єврейське населення міста, яке у 1937 році становило 67% від загальної чисельності мешканців Тарнобжеґа. Згадками про єврейську історію населеного пункту залишились єврейський цвинтар та нова будівля синагоги, побудована на місці старої, знищеної німецькими військами під час воєнних дій на території Підкарпатського воєводства.
Швидкий розвиток міста розпочався після виявлення тут сірчаних родовищ. Тарнобжеґ став великим повітовим промисловим центром, а з 1975 року — центром воєводства. У 90-х роках XX століття сірчана промисловість занепала і місто після недовгого періоду економічного спаду почало розвиватись в туристичному напрямі. Одним з найпопулярніших туристичних об'єктів міста є палацево-парковий комплекс Тарновських, який включає в себе замок (XIV ст.), садовий павільйон, кінний манеж, каретний двір, замкові кухні та ландшафтний парк. У XIX столітті в приміщеннях замку зберігались колекції з картинами Тиціана, Ван Дайка, Рембрандта, а також рукописи Пана Тадеуша. Після пожежі, яка відбулась у 1927 році, замок відбудовано у стилі бароко. В замковій бібліотеці збереглися цінні меблі, оздоблені металографією.