Thalheimer begann zunächst als Bühnenschauspieler, bevor er 1997 am Theater Chemnitz zur Regie wechselte. Seither Regie-Arbeiten u. a in Basel, Dresden, Hamburg, Berlin, Wien, Frankfurt. Von 2005–08 war er leitender Regisseur und Mitglied der künstlerischen Leitung am Deutschen Theater Berlin; seit 2005 auch Operninszenierungen, u. a. »Die Entführung aus dem Serail« von Wolfgang Amadeus Mozart an der Staatsoper Unter