Gianmarco được huấn luyện bởi cha anh, Marco Tamberi, người từng giữ kỷ lục bóng đá Ý trong nhà năm 1983 với chiều cao 2,28 m.

Năm 2015, Tamberi đã phá kỷ lục nhảy cao của Ý hai lần — lần đầu tiên với cú nhảy 2,34 m ở Cologne, và lần thứ hai với 2,37 m ở Eberstadt, nơi anh đứng thứ hai sau Derek Drouin. Sau đó anh đứng thứ 8 tại Giải vô địch thế giới 2015 ở Bắc Kinh với chiều cao 2,25 m.

Trong suốt mùa đông năm 2016, Tamberi đã giành chiến thắng trong mọi cuộc thi mà anh ấy tham gia. Anh đã giành chiến thắng ở Banska Bystrica với 2,35 m, một kỷ lục mới trong nhà của Ý, được cân bằng bởi Marco Fassinotti trong cùng một sự kiện. Anh thắng ở Trinec sau khi vượt qua 2,33 m. Tại giải nhảy cao Moravia Tour 2016, anh đã ghi được cú nhảy 2,38 m, đủ để đánh bại Chris Baker của Vương quốc Anh và Kyriakos Ioannou của Síp, và điều này đã mang lại cho anh kỷ lục nhảy cao trong nhà của Ý. Anh đã giành huy chương vàng tại Giải vô địch trong nhà thế giới ở Portland vào tháng 3 năm 2016 với cú nhảy 2,36 m.

Tamberi đã không thể thi đấu tại Olympic 2016 do chấn thương hồi đầu mùa.

Tại các giải đấu lớn, anh nổi tiếng với việc để râu dài trong lúc thi đấu vòng loại và cạo một nửa cho trận chung kết.[5]

Vào ngày 1 tháng 8 năm 2021, anh cùng với vận động viên người Qatar, Mutaz Essa Barshim, chính thức giành huy chương vàng môn nhảy cao nam tại Thế vận hội mùa hè 2020 sau loạt thi ăn miếng trả miếng giữa cả hai người và cùng vượt qua mức xà 2,37m. Tamberi và Barshim đều đồng ý việc cả hai cùng nhận huy chương vàng, đây là trường hợp hiếm hoi trong lịch sử Olympic. Đặc biệt, anh đã hỏi một tình nguyện viên rằng: "Chúng tôi có thể có cùng nhận hai huy chương vàng chứ?"[6]