חלק משמעותי מיום הלימודים בישיבות "תומכי תמימים" מוקדש ללימוד התלמוד והמפרשים. השיעור הראשון מתחיל מיד לאחר ארוחת הבוקר. את מחזוריות לימוד התלמוד בכל ישיבות חב"ד ייסד הרבי הרש"ב על בסיס מה שהיה מקובל עוד לפני כן בעולם הישיבות. מחזור זה כולל 8 שנים כאשר במהלך תקופה זו, התלמידים ילמדו שמונה מסכתות נבחרות ("שבת", "גיטין", "בבא בתרא", "כתובות", "בבא קמא", "פסחים", "קידושין" ו-"בבא מציעא").
שיטת הלימוד המעמיק - "עיון" - דורשת הבנה יסודית של התלמוד דרך פירוש רש"י ותוספות. דרך הלימוד בתומכי תמימים מאופיינת בחתירה אחר שורשי האמת של הסברת הפשט והעמקה בדברי חז"ל מתוך שאיפה לרדת לסוף דעתם "לאסוקי שמעתא אליבא דהלכתא". ומאידך - התרחקות מפלפול לשם פלפול גרידא כזה שאינו מנתב את הלומד אל האמת.