Fonologi bahasa Tamil disifatkan dengan kehadiran konsonan retrofleks, dan hukum-hukum ketat bagi pengedaran sesama perkataan berplosif bersuara dan tidak bersuara. Fonologi bahasa Tamil membernarkan sedikit sahaja gugusan konsonan yang tidak boleh memulakan mana-mana perkataan. Ahli nahu tempatan mengelaskan fonem-fonem bahasa Tamil kepada vokal, konsonan, dan "aksara sekunder", iaitu āytam.

Vokal

Vokal-vokal Tamil bergelar uyireḻuttu (uyir – nyawa, eḻuttu – huruf). Vokal-vokal ini dikelaskan kepada vokal pendek (kuṟil) dan panjang (neṭil) (lima bunyi vokal bagi setiap kelas) serta dua diftong, /ai/ dan /au/, dan tiga vokal "dipendekkan" (kuṟṟiyal).

Vokal panjang kira-kira dua kali ganda kepanjangan vokal pendek. Diftong pula biasanya disebut kira-kira 1.5 kali panjangnya berbanding vokal pendek, meskipun kebanyakan buku teks nahu mengelaskan mereka bersama vokal panjang.

Konsonan

Konsonan bahasa Tamil dikenali sebagai meyyeḻuttu (mey — badan, eḻuttu — huruf). Konsonan dikelaskan kepada tiga kategori, setiap satunya denfan enam fonem: valliṉam — keras, melliṉam — lembut atau nasal, dan iṭayiṉam — sederhana.

Berbeza daripada bahasa-bahasa India yang lain, bahasa Tamil tidak mengandungi konsonan beraspirasi. Tambahan pula, penyuaraan plosif dikawal oleh hukum-hukum ketat dalam centamiḻ. Konsonan plosif tidak bersuara apabila dihasilkan pada permulaan perkataan atau digandakan. Jika di tempat lain konsonan tersebut disuarakan, dengan sebilangan kecilnay menjadi frikatif secara intervokal. Konsonan nasal dan anggaran sentiasa disuarakan.[20]

Carta fonem konsonan bahasa Tamil dalam IPA seperti berikut:[21]:

Bagi bahasa Tamil moden (petikan daripada Annamalai dan Steever 1998: 100-28)

Bunyi /f/ dan /ʂ/ dijadikan pesisiran dalam fonologi bahasa Tamil, hanya dijumpai dalam kata pinjaman dan sering diganti oleh bunyi tempatan. Terdapat hukum-hukum yang dijelaskan untuk elisi dalam bahasa Tamil yang dibahagikan kepada berbagai-bagai kelas berdasarkan fonem yang melalui elisi.

Aytam

Bahasa Tamil Klasik juga mengandungi fonem bergelar āytam, ditulis sebagai ‘ஃ’. Ahli bahasa Tamil pada zaman dahulu mengelaskannya sebagai aksara khas (cārpeḻuttu), tetapi kini aksara ini amat jarand ditemui dalam bahsa Tamil moden. Hukum-hukum sebutan yang diberi dalam Tolkāppiyam, kitab mengenai tatabahasa Tamil klasik, mencadangkan bahawa āytam ini mungkin menyertakan hentian glotis dengan bunyi-bunyi yang digabungkan dengannya. Terdapat satu lagi kemungkinan bahawa āytam digunakan untuk mewakili implosif bersuara (atau bahagian penutup separuh awal) bagi plosif bersuara digeminasi voiced dalam sesuatu perkataan.[22]