Thomas Wilhelm s’est formé à l’université de danse Palucca de Dresde. En tant que danseur, il se produit entre autres au Semperoper de Dresde, aux opéras de Leipzig et Göteborg, et travaille dans la compagnie de danse de Stephan Thoss à Kiel et Hanovre. C'est là qu'il réalise ses premiers travaux chorégraphiques. Depuis 2006, il est chorégraphe indépendant.
Il collabore étroitement et depuis de nombreuses années avec le metteur en scène Christof Loy ; ensemble, ils créent de nombreuses mises en scène aux opéras de Copenhague, Stockholm, Göteborg, Amsterdam, Genève, Bâle, Zurich, Francfort et Munich, au Deutsche Oper de Berlin, à Covent Garden (Londres), à l'Opéra de Monte-Carlo, au Teatro Real de Madrid, au Grand Théâtre du Liceu (Barcelone), aux festivals de Salzbourg et Aix-en-Provence, parmi d’autres. La mise en scène de Peter Grimes (Britten) au Theater an der Wien est récompensée aux International Opera Awards en 2016.
Il collabore également avec Amélie Niermeyer et Sebastian Baumgarten, entre autres. Très lié à la metteuse en scène Nadja Loschky, il réalise avec elle plusieurs mises en scène au Theater Bielfeld – Le Barbier de Séville (Rossini), La Traviata (Verdi), Mort à Venise (Britten) – et au Komische Oper de Berlin – Hamlet (Thomas). Depuis Alcina (Händel) au Festival de Pentecôte de Salzbourg 2019, il travaille régulièrement avec Damiano Michieletto, notamment pour Salomé (R. Strauss) à la Scala de Milan, Le Baruffe (création de Giorgio Battistelli) à la Fenice de Venise, Orphée et Euridice (Gluck) au Komische Oper de Berlin, Giulio Cesare (Händel) au Théâtre des Champs-Élysées de Paris et à Rome, et plus récemment, Don Quichotte (Massenet) à l'Opéra national de Paris. Au printemps dernier, ils créent La Ferme des animaux (Alexander Raskatov), d’après le roman de George Orwell, à l’Opéra national des Pays-Bas (International Opera Award 2023 de la meilleure création). En septembre, leur mise en scène du Messie de Händel, production du Komische Oper de Berlin, a été présentée pour la première fois au Hangar 4 de l'aéroport Tempelhof de Berlin.