Tang Wei nasceu em Wenzhou e cresceu em Hangzhou, ambas na província de Zhejiang. Ela é filha única de uma atriz e um pintor. Formou-se na Academia Central de Teatro em Beijing, com especialização em direção.
Passou a atuar em séries para TV chinesa em 2004 e 2005.
Em 2006 ela foi selecionada dentre 10 mil atrizes para ser a protagonista Wong Chia-chi no filme Desejo e Perigo, do premiado Ang Lee. O filme recebeu aclamação crítica e Tang foi premiada por sua atuação. Apesar do sucesso, a SARFT (departamento do governo chinês que faz a censura da mídia) infligiu banimento às cenas de sexo envolvendo Tang, removendo-as do filme. Além disso seus contratos milionários com agências de publicidade foram cancelados e ela foi substituída em seu trabalho posterior nos cinemas pela atriz Maggie Q.
Em 2009, enquanto estava ausente dos cinemas, participou de aulas de atuação na University of Reading (UK).
Fez seu retorno ao cinema em 2010. Em 2013, teve um ressurgimento do sucesso com a comédia romântica Finding Mr. Right (Como Encontrar o Homem Ideal), que arrecadou 85 milhões de dólares.
Desde 2014, é casada com o diretor Kim Tae-yong.