Russell, 28, var en del av den sida som vann Aprils World Twenty20 och kommer att vara tillgänglig för fyra matcher i juni.
Tahir, 37, kommer sedan att länka upp för de sista sju matcherna och är inställd på att spela i sex County Championship fixturer.
"Andre är en av de ledande T20 spelarna i världen just nu," sade regissören för cricket Mick Newell.
Russell har tagit 180 wickets i T20 cricket i genomsnitt 26.13, och har 12 halvcenturier med fladdermus med en strejkfrekvens på mer än 165 körningar per 100 bollar.
Newell tillade: "Att titta på vår line-up, det fanns verkligen utrymme att lägga till en hitter i mitten, som vi gjorde 2015 med Darren Sammy.
"I Andres fall är det en extra bonus att han är en mycket effektiv snabb bowlare också."
Tahir spelade tre matcher för Notts i slutet av förra säsongen.
Han har tagit 150 wickets i internationella och inhemska T20 cricket på 20,82, med en ekonomi under sju.
"Vi har sett många gånger hur värdefull en världsklass ben-spinner kan vara, i alla format av spelet," säger Newell.
"Imran njöt av sin tid här förra året, han ville komma tillbaka, och vi är bara alltför glada för att han gjorde det.
"Att ha honom tillgänglig kommer också att göra det möjligt för oss att göra det mesta av några av de torrare platser i fyra dagar cricket i slutet av sommaren."
Nottinghamshire har undertecknat West Indies allrounder Andre Russell och Sydafrika legspinner Imran Tahir för deras T20 Blast kampanj.