Michael Thalheimer wurde 1965 bei Frankfurt am Main geboren. Nach einer Ausbildung zum Schlagzeuger war er zunächst als Musiker und Statist am Darmstädter Theater tätig. 1985 bis 1989 absolvierte er ein Schauspielstudium an der Hochschule für Musik und Theater in Bern. Diverse Engagements führten ihn anschließend unter anderem nach Mainz, Bremerhaven und Chemnitz, wo er 1997 zum ersten Mal selbst Regie führte.
Nach Inszenierungen in Leipzig, Dresden, Freiburg und Basel, gelang ihm der Durchbruch als Regisseur mit Franz Molnárs »Liliom« am Hamburger Thalia Theater, welches 2001 zum Berliner Theatertreffen einge­laden wurde, zusammen mit seiner Inszenierung von Thomas Vinterbergs »Das Fest«.
Ab 2000 arbeitete Thalheimer regelmäßig am Thalia Theater Hamburg und am Deutschen Theater Berlin, wo er von 2005 bis 2008 leitender Regisseur und Mitglied der künstlerischen Leitung war. Hier zählten »Die Orestie« von Aischylos, Goethes »Faust«, »Die Ratten« von Gerhart Hauptmann und Lessings »Emilia Galotti« zu seinen großen Erfolgen.
Michael Thalheimers Inszenierungen erhielten neben regelmäßigen Einladungen zu internationalen Festivals in Europa, Asien und Nord- und Südamerika auch zahlreiche Auszeichnungen, darunter den 3sat-Innovationspreis  für »Liliom«, den Berliner Friedrich-Luft-Preis und die Moskauer Goldene Maske für »Emilia Galotti« und drei Mal den Wiener Nestroy-Preis für »Emilia Galotti«, »Elektra« und »Die Weber«. Es wurden bereits sechs seiner Produktionen zum Berliner Theatertreffen eingeladen, unter anderem auch 2007 »Die Orestie« und 2008 »Die Ratten« von Gerhart Hauptmann. Zuletzt inszenierte Michael Thalheimer Friedrich Hebbels »Maria Magdalena« am Burgtheater Wien, »Tartuffe« von Molière an der Schaubühne Berlin, William Shakespeares »Ein Sommernachtstraum« am Residenztheater München sowie Dea Lohers »Unschuld« am Deutschen Theater Berlin. 2005 gab Thalheimer sein Debüt als Opernregisseur mit Leoš Janá
čeks »Katja Kabanowa« an der Staatsoper Unter den Linden. Es folgten Inszenierungen von Guiseppe Verdis »Rigoletto« am Theater Basel und 2009 »Die Entführung aus dem Serail« von Wolfgang A. Mozart an der Staatsoper Unter den Linden.