Thomas Wilhelm erhielt seine Ausbildung an der Palucca Schule Dresden. Als Tänzer war er u. a. an der Dresdner Semperoper, der Oper Leipzig und der Oper Göteborg engagiert und arbeitete in der Tanzcompagnie von Stephan Thoss in Kiel und Hannover. Hier entstanden auch seine ersten eigenen choreographischen Arbeiten. Seit 2006 ist er freischaffender Choreograph.
Eine langjährige, intensive Zusammenarbeit verbindet ihn bis heute mit dem Regisseur Christof Loy. Gemeinsame Inszenierungen entstanden u.a. an den Opernhäusern in Kopenhagen, Stockholm, Göteborg, Amsterdam, Genf und Zürich, am Theater Basel, der Deutschen Oper in Berlin sowie an der Oper Frankfurt, der Bayerischen Staatsoper in München, am ROH Covent Garden in London, Opera de Monte-Carlo, Teatro Real in Madrid, Gran Teatre del Liceu in Barcelona, bei den Salzburger Festsielen und dem Festival d‘Aix en Provence. Die Inszenierung von Brittens Peter Grimes am Theater an der Wien wurde 2015 mit dem International Opera Award ausgezeichnet.
Des weiteren arbeitete er u.a. mit Amélie Niermeyer und Sebastian Baumgarten. Eng verbunden ist er mit der Regisseurin Nadja Loschky, gemeinsame Arbeiten entstanden am Theater Bielfeld (zuletzt Rossinis Barbier von Sevilla ) und an der Komischen Oper Berlin (Hamlet von Ambroise Thomas)
Seit Händels Alcina bei den Salzburger Pfingstfestspielen 2019 arbeitet er regelmäßig mit Damiano Michieletto, u.a. für Salome an der Mailänder Scala, die Uraufführung Le Baruffe am Teatro la Fenice in Venedig, Glucks Orfeo ed Euridice an der Komischen Oper Berlin und Giulio Cesare am Théâtre des Champs-Elysées in Paris. An der Oper Amsterdam erarbeiteten sie im vergangenen Frühjahr die Uraufführung Animal Farm basierend auf der Novelle von George Orwell (International Opera Award 2023 „Beste Uraufführung“).
An der Wiener Staatsoper war er für die Produktionen Alceste Ch.W.Gluck und Beethovens Leonore tätig