Après sa formation au Conservatoire national supérieur d’art dramatique de Paris, Thierry Frémont se révèle au cinéma avec Les Noces barbares de Marion Hänsel, qui lui vaut le prix Jean Gabin, puis reçoit en 1988 le César du meilleur espoir masculin pour Travelling avant de Jean-Charles Tacchella. Acteur exigeant, il enchaîne ensuite des rôles marquants au cinéma, à la télévision et au théâtre sous la direction de réalisateurs comme Bertrand Blier, Brian De Palma, Roman Polanski ou Bertrand Tavernier.
Au fil des années, il s’illustre au cinéma dans des films tels que Merci la vie, Les Démons de Jésus, Quai d’Orsay ou encore Une affaire d’État. Il est également dirigé par Brian De Palma dans le thriller Femme fatale au côté d’Antonio Banderas et donne la réplique à Brad Pitt dans Alliés de Robert Zemeckis avec également Marion Cotillard.
Sur scène, il triomphe notamment dans Signé Dumas, qui lui vaut le Molière du meilleur second rôle en 2004, puis dans Les Cartes du pouvoir, récompensé par un second Molière en 2015.
En 2006, il devient le premier acteur français à recevoir l’International Emmy Award du meilleur acteur pour son interprétation du tueur en série Francis Heaulme dans Dans la tête du tueur. Il poursuit ensuite une carrière internationale avec les séries Das Boot, Luther, Liaison pour Apple TV+ ou encore Nautilus pour Disney+.
Au théâtre, il retrouve un large succès avec Le Repas des fauves, nommé aux Molières 2024. En 2024, il tourne La Startup de Gilles Graveleau puis, en 2025, Les Âmes en peine de Quarxx. Ces deux films sortiront en salles en 2027. Depuis janvier 2026, il joue au Théâtre de Paris dans Une heure à t’attendre de Sylvain Meyniac qui sera en tournée dans toute la France à partir du mois de septembre.