Thierry Frémont décide de devenir comédien durant ses années d'études dans un lycée technique. Il débute au théâtre en incarnant le personnage de Poil de carotte puis suit les enseignements de Francis Huster au cours Florent. A 20 ans, il réussit le concours d'entrée au conservatoire et travaille sous la direction de Daniel Mesguish, Mario Gonzales et Philippe Adrien.

La cinéaste belge Marion Hansel lui donne en 1987 le rôle principal des Noces barbares, pour lequel il obtient le Prix Jean Gabin. Après Travelling avant, qui lui rapporte le César du Meilleur espoir masculin, Thierry Frémont privilégie le théâtre et la télévision, apparaissant toutefois au générique des Caprices d'un fleuve de Bernard Giraudeau.

En 1996, le comédien revient en force au cinéma avec Les Démons de Jesus d'un Bernie Bonvoisin qu'il retrouvera deux ans plus tard pour Les Grandes bouches. Son abattage et sa présence font merveille dans l'univers du réalisateur, entre mots d'auteurs et personnages gouailleurs.

Après la chronique sociale Nadia et les hippopotames et les comédies Le Fils du Francais et Livraison à domicile, Thierry Frémont fait partie, en 2002, du générique du Femme fatale de Brian De Palma. En 2004, il rejoint la troupe d'Espace détente, adaptation sur grand écran du programme télé culte Caméra Café.

Après avoir remporté un Emmy Award pour son interprétation dans la série Dans la tête du tueur, le comédien se dirige vers des films plus populaires, moins intimistes avec notamment une apparition dans la comédie Un ticket pour l'espace où il incarne un professeur de théâtre. Puis il rejoint, la même année, l'équipe de Les Brigades du Tigre : une production imposante dans le paysage cinématographique français. En 2006, Thierry Frémont joue le rôle de Urbain dans le thriller La Bombe humaine et continue à s'illustrer à la télévision dans des téléfilms comme Chez Maupassant en 2008 et 2009.

On le retrouve au cinéma dans le film Sans état d'âme en 2008 et dans Une affaire d'Etat d'Eric Valette aux côtés d'André Dussollier et Rachida Brakni l'année suivante. L'année 2010 le voit apparaître dans deux films liés au lourd passé français du XXe siècle : la Rafle du Vél d'Hiv' dans La Rafle puis la guerre d'Algérie, teintée de fantastique, dans Djinns derrière Grégoire Leprince-Ringuet.