La grande majorité des fossiles du Tarbosaurus ont été découverts dans la Nemegt Formation au sud de la Mongolie. Cette formation géologique n'a jamais été datée radiométriquement, mais la faune présente dans la mémoire fossile indique qu'elle a probablement été déposée pendant l'étage Maastrichtien, à la fin du Crétacé supérieur entre -70,6 ± 0,6 et -65,5 ± 0,3 Ma.
Des fossiles de mollusques sont découverts occasionnellement, ainsi qu'une variété d'autres animaux aquatiques tels que les poissons ou tortues. Les crocodiliens incluent plusieurs espèces de Shamosuchus, un genre de crocodiles neosuchians dont les dents se sont adaptées pour broyer les coquilles. Les fossiles de mammifères sont extrêmement rares dans la Nemegt Formation, mais beaucoup d'oiseaux ont été découverts, comme l'énantiornithe Gurilynia et l'hesperornithiforme Judinornis, ainsi que le Teviornis un genre d'oiseaux préhistoriques.
Les scientifiques ont décrit de nombreux dinosaures issus de la Nemegt Formation, des ankylosauridés comme le Tarchia, des pachycephalosauria tels que l'Homalocephale et le Prenocephale.
Comme beaucoup d'autres grands tyrannosauridés, le Tarbosaurus a été décrit grâce à des fossiles bien préservés et relativement abondants. En fait, un quart des fossiles issus de la Nemegt Formation appartiennent au Tarbosarus. Bien que ce dinosaure ne soit pas aussi bien étudié que les tyrannosauridés nord américains, le matériel disponible a permis aux scientifiques de dresser des conclusions à propos de sa biologie.
En 2003, le crâne du Tarbosaurus a été pour la première fois décrit complètement. Les scientifiques ont remarqué des différences importantes entre le Tarbosaurus et les tyrannosauridés de l'Amérique du Nord, en particulier au niveau de la mâchoire.
Comme évoqué plus haut, le Tarbosaurus possédait une anatomie proche de celle de son cousin tyrannosaure, ce fut la cause de cette question qui sera débattue par nombre de savants; « Le tarbosaurus et le tyrannosaure ne feraient-ils qu'un ? ». En effet les deux reptiles possédaient la même anatomie, tous deux ayant les membres antérieurs atrophiés (pour équilibrer leur poids de part et d'autre des appuis au sol, car ils possédaient une tête volumineuse), et tous deux ayant la même dentition, la même ossature et une taille sensiblement semblable (10-14 mètres contre 12-15 mètres pour le Tyrannosaurus rex).
Cependant, les yeux du tyrannosaure sont disposés de façon plus frontale que ceux du tarbosaurus qui a un crâne plus étroit.
Il a été finalement décidé, récemment, que les deux antagonistes faisaient plus qu'un.