Thielemann studierte u. a. bei Helmut Roloff (* 1912, † 2001) in Berlin und war 1979 Assistent von Herbert von Karajan. Er debütierte nach Tätigkeiten als Korrepetitor an der Deutschen Oper Berlin 1985 an der Deutschen Oper am Rhein und war 1988–92 Generalmusikdirektor der Stadt Nürnberg, 1997–2004 der Deutschen Oper Berlin