Thuram arrive dans l'hexagone à l'âge de 9 ans en 1981, pour vivre dans le quartier des Fougères à Avon près de Fontainebleau où il joue milieu de terrain offensif pour le club local des Portugais de Fontainebleau, puis au Racing club de Fontainebleau et à Melun où il croise notamment Claude Makélélé. Il débute sa carrière professionnelle avec l'AS Monaco en Première division le 22 mai 1991, lors d'un match face au Sporting Toulon Var (1-1).
Six saisons plus tard, en 1996, il quitte la France pour la Serie A italienne en signant à Parme puis à la Juventus de Turin en 2001 pour 36,6 MEUR. Lors de son passage à Parme, il forme avec l'italien Fabio Cannavaro, l'une des meilleures charnières défensives du Calcio de l'époque.
Sélectionné en équipe nationale depuis 1994, il ne devient réellement titulaire au poste d'arrière droit qu'en 1996, à la retraite de Jocelyn Angloma, guadeloupéen comme lui. De 1996 à 2000, il forme avec Laurent Blanc, Marcel Desailly et Bixente Lizarazu, l'une des meilleures lignes de défense du monde. Les quatre joueurs (associés aux goals français Bernard Lama avant 1996 et Fabien Barthez après 1996) n'ont ainsi perdu aucun match en étant alignés ensemble en équipe de France.
Lors de la demi-finale de la Coupe du monde 1998, il qualifie la France en inscrivant deux buts contre la Croatie (2-1), ses seuls buts en équipe de France en 142 sélections. La France remporte ensuite la finale contre le Brésil et Thuram et ses coéquipiers sont faits chevaliers de la Légion d'honneur.
Deux ans plus tard, en 2000, il remporte l'Euro organisé en Belgique et aux Pays-Bas. C'est la dernière compétition où l'association Thuram-Desailly-Blanc-Lizarazu est alignée.
En juillet 2004, suite à l'échec de la France au Championnat d'Europe, il décide de mettre un terme à sa carrière internationale, pour se consacrer à son club, la Juventus. Il est alors nommé au FIFA 100. Il ressort de sa retraite internationale un peu à contre-coeur, pour répondre, le 7 août 2005, à une convocation du sélectionneur Raymond Domenech, suivant de peu en cela
Zinedine Zidane. Il est placé en défense centrale, poste qu'il a toujours occupé en club (notamment dans le Calcio) et qu'il affectionne plus que celui de défenseur droit auquel il avait l'habitude de jouer en équipe de France.
En juillet 2006, il participe à la Coupe du monde 2006 avec l'équipe de France, sa troisième après celles de 1998 et de 2002. L'équipe de France atteint la finale et s'incline aux tirs au but contre l'Italie. Durant cette Coupe du Monde, Thuram remporte 95% de ses duels en défense.
Quelques jours après la finale, Lilian Thuram revient dans un long entretien accordé au magazine culturel Les Inrockuptibles sur l'incident qui a opposé pendant les prolongations le capitaine de l'équipe de France
Zinedine Zidane au joueur italien Marco Materazzi. Il condamne le geste de son capitaine, mais dit le comprendre : « Je comprends que Zidane ait réagi. Mais pas sur le terrain, pas sur le terrain... (...) Il s'est trompé, et il le sait. Je ne pense pas que son geste ait eu une incidence sur le résultat du match. » Mais, il porte un jugement très sévère sur le comportement du défenseur italien : « Un joueur comme Materazzi, c'est une maladie, ça ne devrait pas exister. Cela fait longtemps que je pense ça. Materazzi donne une image négative du football et il n'a pas besoin de ce type d'attitude parce que c'est plutôt un très bon joueur (...). Le football, c'est un jeu et on respecte les règles du jeu. Cela sert à quoi de gagner si on a triché ? À rien. »
En juillet 2006, il quitte la Juventus de Turin, reléguée en Serie B en raison de l'affaire des matches truqués du Calcio, et rejoint le FC Barcelone pour deux ans. Son temps de jeu est réduit, étant barré par Carles Puyol et Rafael Márquez.
Après la finale de la coupe du monde de football 2006, Thuram décide finalement de rester en équipe de France, sûrement jusqu'à l'Euro 2008. Il prévoit d'être présent lors des qualifications. Il dira même en riant, dans le magazine gratuit Sport : « Si à 45 ans, je suis encore performant, je jouerai en équipe de France ». Cependant, dans un entretien accordé à la chaîne de télévision Canal +, il envisage une retraite internationale : « Je dois avouer que j'ai 35 ans, et l'Euro c'est très loin. Et d'ailleurs en ce moment je ne joue pas beaucoup à Barcelone. Si ça continue, j'aurai du mal à aller jusqu'à l'Euro. (...) Quand vous n'êtes plus à la hauteur, il faut laisser votre place, c'est pas compliqué. Il ne faut pas s'accrocher. »
À l'instar de Jocelyn Angloma qui a rechaussé les crampons à l'âge de 41 ans, Thuram a affirmé sa volonté de jouer une fois sa retraite professionnelle prise, pour l'équipe de Guadeloupe de football.
Le 26 mai 2008, il déclare lors d'un point presse avec l'équipe de France qu'il ne restera pas au FC Barcelone l'année suivante.
Le mardi 17 juin 2008, il annonce sa retraite de l'équipe de France après l'élimination au premier tour de l'Euro 2008. « C'est toute une histoire importante de ma vie qui s'arrête ce soir. Il y a beaucoup de tristesse » a confirmé Thuram. Avec 142 sélections, il est le joueur le plus capé de l'histoire de l'équipe de France. Mais il n'arrête pas sa carrière en club. « J'ai l'intention de continuer à jouer mais je ne sais pas encore où. J'espère qu'un club voudra encore de moi ».
Le 27 juin 2008, alors qu'il est sur le point de s'engager pour un an avec le Paris Saint-Germain, il annonce au cours d'une conférence de presse que des examens réalisés lors de la visite médicale précédant la signature du contrat ont révélé qu'il souffre d'une malformation cardiaque héréditaire, ajoutant qu'il s'agirait de la même maladie qui aurait coûté la vie à son frère sur un terrain de basket-ball. La décision quant à son éventuelle signature au PSG est ainsi reportée au 30 juillet après des examens médicaux plus poussés,.
Lors d'une conférence de presse, tenue au Parc des Princes le 1er août 2008, le recordman des sélections en équipe de France annonce sa décision de mettre un terme à sa carrière, à l'âge de 36 ans.
Il a deux fils : Khéphren (en hommage au pharaon) et Marcus (en hommage au leader noir Marcus Garvey).
Il est le compagnon de l'animatrice de télévision Karine Le Marchand.
Son cousin, Yohann Thuram, est gardien de but : il évolue à l'AS Monaco où il joue en tant que 3ème gardien lors de la saison 2008-2009, et il intègre l'équipe de France Espoirs en 2009.