Après des études théâtrales à Berne et plusieurs expériences en tant qu'acteur, Michael Thalheimer se tourne vers la mise en scène avec des spectacles au Schauspiel Frankfurt, au Burgtheater de Vienne et à la Schaubühne de Berlin parmi d'autres.

Entre 2005 et 2008, il est directeur du Deutsches Theater Berlin et, depuis la saison 2017-18, metteur en scène résident et membre de l'équipe artistique du Berliner Ensemble. Ses productions sont souvent présentées lors de festivals internationaux tels que les Salzburger Festspiele et les Wiener Festwochen et ont été récompensées par de nombreuses distinctions: le Friedrich-Luft-Preis de Berlin, le Golden Mask de Moscou et le prix Nestroy.

Ses mises en scène d'opéra épurées et expressives ont été acclamées aux Staatsoper de Berlin (Der Freischütz) et de Hambourg (Les Troyens) ainsi qu'à l'Opéra ballet de Flandre à Anvers (Macbeth).