Considerato il più forte tennista austriaco di tutti i tempi insieme al connazionale Thomas Muster, nonché uno dei migliori al mondo della sua generazione, in carriera ha vinto 17 titoli ATP in singolare e ha raggiunto la 3ª posizione del ranking il 2 marzo 2020. Nelle prove del Grande Slam vanta la vittoria agli US Open 2020, con la quale è diventato il primo tennista nato negli anni novanta ad aver vinto un titolo Major. Inoltre ha raggiunto altre tre finali: due al Roland Garros (2018, 2019) e una agli Australian Open nel 2020. Nel 2019 e nel 2020 è stato inoltre finalista alle ATP Finals
La sua carriera è stata compromessa dall’infortunio al polso destro subito nel 2021, che lo ha tenuto fermo a più riprese, fino ad indurlo al ritiro il 10 maggio 2024.
Carriera Juniores Gioca nell'ITF Junior Circuit tra il 2008 e il 2011 e vince in totale undici tornei in singolare e tre in doppio. Nel gennaio 2011 sale al 2º posto mondiale, che resterà il suo miglior ranking di categoria. Nel giugno successivo ottiene il suo miglior risultato nelle prove juniores del Grande Slam con la finale raggiunta al Roland Garros, nella quale viene sconfitto da Bjorn Fratangelo. Chiude l'esperienza juniores in dicembre vincendo il prestigioso Orange Bowl, unico titolo conquistato in un torneo di Grade A, e disputa anche la finale in doppio.
2010-2012, inizi da professionista e primi titoli ITF Fa il suo esordio tra i professionisti nell'agosto 2010 con una vittoria al primo turno del Challenger di Kitzbühel. Impegnato nel circuito juniores, nel primo periodo gioca saltuariamente e nell'agosto 2011 debutta nel circuito ATP con una wild-card di nuovo a Kitzbühel, dove viene eliminato al primo turno. In ottobre vince il primo incontro nel circuito maggiore all'ATP 250 di Vienna sconfiggendo l'ex nº 1 del mondo Thomas Muster, ormai prossimo al ritiro. In questo periodo inizia a giocare con maggiore frequenza tra i professionisti e in novembre disputa la sua prima finale al torneo ITF Turkey F31, persa in tre set contro Stefan Seifert. Nel gennaio 2012 alza il primo trofeo da professionista vincendo il titolo in doppio al torneo ITF Israel F3. A maggio conquista il primo titolo in singolare con il successo nella finale del Czech Republic F1 sul connazionale Marc Rath per 6-2, 6-4 e si impone anche nella finale del doppio. A ottobre raggiunge per la prima volta i quarti di finale in un torneo Challenger all'Open de Rennes e al successivo torneo ATP di Vienna sconfigge per la prima volta un top 100 del ranking, il nº 51 Lukáš Lacko. Grazie ai due titoli ITF conquistati in Marocco chiude la stagione alla 309ª posizione mondiale, nuovo best ranking.
2013, primi titoli Challenger e quarti di finale ATP, 121º nel ranking mondiale Nella prima parte del 2013 è impegnato in prevalenza nel circuito ITF e in aprile vince il titolo al Croatia F6. A fine luglio riceve una wild card per il tabellone principale del torneo ATP 250 di Kitzbühel e arriva per la prima volta ai quarti di finale nel circuito maggiore in virtù dei successi su Andrej Kuznecov e sul nº 34 ATP Jürgen Melzer, prima di essere eliminato da Albert Montañés. Continua a risalire la classifica con il titolo vinto all'Italy F22 – ultimo torneo giocato nel circuito ITF – ed entra nella top 200 dopo la prima finale raggiunta in un torneo Challenger a Como, persa in tre set contro Pablo Carreño Busta. A settembre conquista il primo titolo Challenger a Kenitra grazie al ritiro in finale di Tejmuraz Gabašvili; il mese successivo disputa di nuovo un quarto di finale di un torneo ATP a Vienna e viene sconfitto dal nº 8 del mondo Jo-Wilfried Tsonga al tie-break del set decisivo. In novembre sconfigge Potito Starace in finale al Challenger di Casablanca e si porta alla 121ª posizione mondiale, nuovo best ranking.
2014, prima finale ATP e 36º nel ranking
A partire dal 2014 si concentra esclusivamente sul circuito maggiore; supera le qualificazioni del primo torneo stagionale a Doha e al primo turno viene eliminato da Peter Gojowczyk. Si qualifica anche agli Australian Open e al suo esordio nel tabellone principale di uno Slam supera il nº 50 ATP João Sousa, prima della sconfitta subita al secondo turno da Kevin Anderson. Supera le qualificazioni anche a Rotterdam e, alla sua prima partecipazione a un torneo ATP 500, viene sconfitto al secondo turno da Andy Murray dopo aver giocato un ottimo incontro; a fine torneo fa il suo ingresso nella top 100. Si qualifica per entrambi i Masters 1000 di Indian Wells e Miami, nel primo sconfigge la testa di serie nº 21 Gilles Simon e viene eliminato al terzo turno da Julien Benneteau, mentre a Miami si arrende a Tommy Robredo al secondo turno. Si qualifica anche per il Masters 1000 di Madrid e disputa un ottimo torneo, battendo al primo turno Dmitrij Tursunov e al secondo Stan Wawrinka, testa di serie numero 3, ottenendo la prima vittoria contro uno dei primi 10 giocatori del ranking ATP; agli ottavi avrebbe dovuto incontrare Feliciano López ma a causa di un'indisposizione è costretto a dare forfait.
Ad aprile fa il suo esordio nella squadra austriaca di Coppa Davis in occasione della sfida persa 4-1 contro la Slovacchia e perde entrambi gli incontri disputati. Con la 57ª posizione del ranking debutta al Roland Garros senza passare per le qualificazioni e dopo la vittoria su Paul-Henri Mathieu, al secondo turno raccoglie solo sette giochi contro Rafael Nadal. Fa il suo esordio assoluto anche a Wimbledon ed esce subito dal torneo per mano del qualificato Luke Saville. Eliminato al terzo turno all'ATP 500 di Amburgo, al torneo di Kitzbühel raggiunge la sua prima finale ATP e viene sconfitto da David Goffin per 4-6, 6-1, 6-3. All'esordio agli US Open si spinge fino al quarto turno eliminando il nº 12 ATP Ernests Gulbis e il nº 21 Feliciano López e cede a Tomáš Berdych che gli concede solo sette giochi; a fine torneo porta il best ranking alla 36ª posizione. Nella parte finale della stagione non supera mai il secondo turno e chiude il 2014 al 39º posto mondiale.
2015: tre titoli ATP e top 20 Nella prima parte del 2015 raggiunge il terzo turno solo a Marsiglia e torna a mettersi in luce in primavera a Miami, dove per la prima volta raggiunge i quarti in un Masters 1000; supera tra gli altri il nº 12 ATP Feliciano López e viene eliminato dal nº 4 Andy Murray dopo essersi aggiudicato il primo parziale. Il 23 maggio vince il suo primo titolo ATP sconfiggendo in finale sulla terra rossa di Nizza Leonardo Mayer col punteggio di 6-7, 7-5, 7-6 dopo 2 ore e 48 minuti di gioco. Eliminato al secondo turno al Roland Garros e a Wimbledon, in luglio conquista un altro titolo ATP a Umago, battendo in finale João Sousa per 6-4, 6-1. Vince il terzo titolo della carriera al successivo torneo di Gstaad, superando in finale la testa di serie nº 1 David Goffin per 7-5, 6-2, e la settimana dopo viene sconfitto in semifinale a Kitzbühel da Philipp Kohlschreiber, entrando per la prima volta nella top 20. Tra i risultati più significativi di fine stagione vi sono il terzo turno raggiunto agli US Open e la semifinale persa a San Pietroburgo contro João Sousa.
2016: prima volta alle ATP Finals e top 10
Inizia la stagione con la semifinale raggiunta a Brisbane, dove raccoglie solo cinque giochi nel suo primo confronto con Roger Federer. Raggiunge quindi per la prima volta il terzo turno agli Australian Open e viene battuto da Goffin. In febbraio si aggiudica il torneo di Buenos Aires, in semifinale elimina Nadal e vince il 4º titolo in carriera sconfiggendo in finale al tie-break del terzo set Nicolas Almagro. Nei quarti di finale di Rio lascia solo cinque giochi al nº 6 del mondo David Ferrer e cede in semifinale a Guido Pella. Il 27 febbraio vince il suo primo torneo ATP 500 ad Acapulco superando in tre set in finale Bernard Tomić e la settimana dopo si porta al 15º posto del ranking. Dopo le sconfitte subite nei suoi primi quattro incontri di Coppa Davis, in marzo vince tutti e tre gli incontri disputati nella sfida con il Portogallo. Si spinge fino al quarto turno in entrambi i primi Masters 1000 stagionali, e viene eliminato da Tsonga a Indian Wells e da Djokovic a Miami. Perde contro Kohlschreiber il tie-break decisivo nella finale di Monaco, mentre agli Internazionali d'Italia supera il nº 2 del mondo Federer e accede per la prima volta ai quarti di finale, dove viene eliminato da Kei Nishikori. Il 21 maggio vince per il secondo anno consecutivo il torneo ATP di Nizza, battendo in finale Alexander Zverev con il punteggio di 6-4, 3-6, 6-0.
Il 1º giugno raggiunge per la prima volta i quarti di finale in una prova dello Slam al Roland Garros, il giorno seguente sconfigge Goffin e viene eliminato in semifinale da Djokovic, che si aggiudicherà il torneo sconfiggendo Murray in finale. A fine torneo Thiem si assesta alla 6ª posizione mondiale, suo nuovo best ranking. Raggiunge la sua quinta finale stagionale all'ATP 250 di Stoccarda dopo aver nuovamente battuto Federer in semifinale, e conquista il suo primo titolo ATP su erba superando in tre set Philipp Kohlschreiber. Sconfitto in semifinale da Florian Mayer a Halle, si prende la rivincita battendolo al primo turno a Wimbledon e viene eliminato al secondo da Jiri Vesely dopo tre tie-break. In luglio disputa la sua prima finale di doppio in un torneo ATP a Kitzbühel in coppia con Dennis Novak e vengono sconfitti da Wesley Koolhof / Matwé Middelkoop. Ad agosto raggiunge i quarti a Cincinnati e viene sconfitto da Milos Raonic, mentre si deve ritirare durante l'incontro di quarto turno agli US Open. Verso fine stagione perde la finale a Metz contro Lucas Pouille e viene eliminato nei quarti a Chengdu. Si qualifica così per la prima volta alle ATP Finals di Londra e viene eliminato nel round-robin con le sconfitte subite contro Djokovic – dopo aver vinto il primo set – e Raonic, che rendono vana la vittoria al secondo incontro su Gaël Monfils.
2017: seconda semifinale al Roland Garros, ottavo titolo ATP e nº 4 del ranking
Inizia il 2017 raggiungendo i quarti di finale a Brisbane e a Sydney, e viene sconfitto rispettivamente da Grigor Dimitrov e Daniel Evans, mentre agli Australian Open viene eliminato negli ottavi di finale da David Goffin. Al torneo di Rotterdam raggiunge i quarti di finale e viene sconfitto a sorpresa dal qualificato Pierre-Hugues Herbert. Si riscatta al successivo Rio Open dove conquista il suo secondo ATP 500 imponendosi in finale su Pablo Carreño Busta con il punteggio di 7-5, 6-4. Ad Acapulco è campione uscente ma nei quarti di finale viene sconfitto dal futuro campione Sam Querrey. Esce nei quarti anche a Indian Wells, dove soccombe a Stan Wawrinka in tre combattuti set, mentre a Miami viene eliminato all'esordio da Borna Ćorić.
Inizia la stagione sul rosso europeo a Monte Carlo e viene eliminato da David Goffin al terzo turno. Raggiunge poi la seconda finale stagionale a Barcellona battendo in semifinale il nº 1 del mondo Andy Murray e si arrende a Rafael Nadal nell'atto decisivo. Al Madrid Open raggiunge la sua prima finale in un Masters 1000 superando nell'ordine Jared Donaldson, Grigor Dimitrov, al quale annulla cinque match-point, Borna Ćorić e Pablo Cuevas. Il 14 maggio affronta ancora Nadal in finale, perdendo in due set molto tirati. Agli Internazionali d'Italia raggiunge la semifinale vincendo con Pablo Cuevas, Sam Querrey e prendendosi la rivincita su Nadal nei quarti di finale battendolo 6-4 6-3. Perde in semifinale contro Novak Đoković col punteggio di 6-1 6-0.