Tannroda liegt im Mittleren Ilmtal, an der Mündung des Flüsschens Schwarza in die Ilm, am Rande des bewaldeten Teils des Tannrodaer Sattels (Teil der Ilm-Saale-Platte) in 285 Metern Höhe. Im Norden und Osten ist der Ort von ausgedehnten Wäldern umgeben. Südlich der Ortslage befinden sich die Kleinsiedlungen Kottendorf und Böttelborn.
Erstmals erwähnt wurde der Ort als „Rode“ um das Datum 1103/16 in einer Urkunde des Erfurter Petersklosters. Die Siedlung Tannroda entwickelte sich im Schutz einer hochmittelalterlichen Burg. Diese wurde über dem südlichen Hang der Ilm erbaut und war die Stammburg der erstmals 1174 genannten Herren von Tannrode. Die ausgedehnte Burganlage stammt wohl noch aus dem 12. Jahrhundert. Seit 1392 wurden die Herren von Querfurt mit der Burg belehnt, ihnen folgte der als „Brandmeister von Thüringen“ in die Geschichte eingegangene Raubritter Apel von Vitzthum. Die Burg wurde von einer Streitmacht Erfurter und dem Herzog von Weimar dienender Söldner zerstört. 1403 wurde das Stadtrecht verliehen.
Im 16./17. Jahrhundert entstanden zwei bescheidene Schlösser. Das ziegelgedeckte „Rote Schloss“ brannte nach einem Blitzschlag irreparabel ab. 1824 wurde es abgerissen und diente als Baumaterial der neuen Michaeliskirche. Das schiefergedeckte „Blaue Schloss“ wurde Rittergutssitz, 1854 durch die Freiherren von Gleichen-Rußwurm erworben. Der letzte Besitzer, der konservative Publizist Heinrich von Gleichen-Rußwurm, wurde 1945 auf der Basis der Bodenreform in der Sowjetischen Besatzungszone entschädigungslos enteignet.
Im Dreißigjährigen Krieg wurde der Ort stark geplündert und verwüstet. Unter Herzog Wilhelm Ernst kamen Stadt und Schloss 1680 zeitweilig unter direkte Landesverwaltung. Tannroda galt als eine Ackerbürgerstadt, die Korbflechterei hatte eine gewisse Bedeutung. Die gewerblich-industrielle Entwicklung der Stadt erlebte viele Rückschläge, meist durch Stadtbrände verursacht. Die 1799 als Pulvermühle umgenutzte Mahlmühle wurde 1887 durch eine Explosion zerstört, nach 1802 entstanden eine Ziegelhütte, einige Holzverarbeitungsbetriebe, eine Metallfabrik, eine Kunstemaille-Fabrik und 1906 eine Papierfabrik. Um 1923 war die Papierfabrik größter Betrieb in Tannroda, sie wurde 1992 geschlossen und 2011 zurückgebaut. Das Korbmachergewerbe erlosch erst 1990.
Nach jahrzehntelangem Verfall des Schlosses mit teilweisen Notsicherungen wurde das Schlossgelände seit den 1990er Jahren Stück um Stück saniert. Der Bergfried (22 m hoch) dient wieder als Aussichtsturm. Bereits wiederhergestellt ist das Laubengang-Gebäude, in dem durch den 1996 gegründeten Heimatverein 1998 das Thüringer Korbmachermuseum eingerichtet wurde. Das „Blaue Schloss“ wartet noch immer auf einen Investor. Als wichtigstes Gebäude des ganzen Ensembles fristet das Gebäude ein Schattendasein. Um potenziellen Schatzgräbern das Handwerk von vorneherein zu legen und die barocken Fußböden mit eingelegten Stemmmotiven ebenso wie eine aus dem 18. Jahrhundert stammende Stuckdecke zu schützen, wurden die Fenster zum Leidwesen aller mit Ziegeln zugemauert. Der Bergfried mit Burgruine, das Schloss und die nach Plänen von Coudray erbaute Michaeliskirche bilden zusammen auf einer Erhebung das Wahrzeichen von Tannroda.
Seit 1887 hat Tannroda einen Bahnanschluss an der 25 Kilometer langen Ilmbahn (ursprünglich Weimar-Berka-Blankenhainer-Eisenbahn) nach Weimar und seit 1888 nach Kranichfeld. 1994 wurde die Thüringer Verordnung über die Auflösung der Stadt Tannroda und ihre Eingliederung in die Stadt Bad Berka erlassen. Arbeit vor Ort bieten noch die Edelstahlbau GmbH, ein Holzverarbeitungsbetrieb, ein Agrarunternehmen und die gastronomischen Einrichtungen.