Thomas Wilhelm erhielt seine Ausbildung an der Palucca Schule Dresden. Als Tänzer war er u. a. an der Dresdner Semperoper und der Oper Göteborg engagiert und arbeitete in der Tanzcompagnie von Stephan Thoss, begann auch dort seine choreographische Tätigkeit. Seit 2006 ist er freischaffender Choreograph.
Eine enge Zusammenarbeit verbindet ihn mit dem Regisseur Christof Loy, gemeinsame Arbeiten entstanden bei den Salzburger Festspielen, an den Opernhäusern in Kopenhagen, Stockholm, Göteborg, Amsterdam, Basel, Genf und Zürich, der Deutschen Oper am Rhein, der Oper Frankfurt, der Bayerischen Staatsoper, am Théâtre des Champs-Élysées und am Royal Opera House Covent Garden London. Brittens »Peter Grimes« am Theater an der Wien wurde 2015 mit dem International Opera Award ausgezeichnet.
In den letzten Jahren arbeitete er wiederholt mit den Regisseurinnen Nadja Loschky und Amélie Niermeyer. Mit Damiano Michieletto kam es bei den Pfingstfestspielen in Salzburg 2019 mit »Alcina« zu einer ersten Zusammenarbeit, gefolgt von »Salome« an der Mailänder Scala.