Après des études en lycée technique, Thierry Frémont a suivi une formation de comédien au cours Florent, où il a eu comme professeur Francis Huster, puis au Conservatoire national supérieur d'art dramatique à Paris, où il est reçu à vingt ans. Il y a entre autres maîtres Daniel Mesguich et Philippe Adrien. Il a aussi travaillé avec Jack Waltzers, de l'Actors Studio. Acteur complet, il alterne des rôles au théâtre, au cinéma et à la télévision. À la 33e cérémonie de remise des prix de l'Académie internationale de télévision, art et sciences, les International Emmy Awards, le lundi 21 novembre 2005 à New York, Thierry Frémont a reçu le prix du meilleur acteur (Best performance by an actor), pour son interprétation de Francis Heaulme dans le téléfilm Dans la tête du tueur, réalisé par Claude-Michel Rome pour GMT Productions, pour la chaîne TF1 qui l'a diffusé en mars 2005. Thierry Frémont est le premier Français à recevoir cette récompense. Trois émissions et un acteur français étaient sélectionnés lors de cette cérémonie, une première pour les Emmy Awards. En 2006, dans la pièce Doute, mise en scène par Roman Polanski au Théâtre Hébertot à Paris, il interprète un prêtre enseignant dans une école catholique de New York, soupçonné d'une « relation inconvenante » avec un élève de 12 ans. Cette affaire de soupçon de pédophilie se passe dans le Bronx en 1964. Dans Le Monde, qui a dressé une critique élogieuse de la pièce et de sa mise en scène, les acteurs ont été jugés « pour beaucoup » dans ses qualités: « Thierry Frémont, le Père Flynn, joue sur le fil du rasoir, un homme convaincant, attachant, ambigu juste ce qu'il faut ».. Roman Polanski a choisi Thierry Frémont pour le rôle principal parce qu'il l'avait vu deux ans plus tôt sur scène dans Signé Dumas et en avait été « impressionné »: « Comme cette pièce repose sur la psychologie des personnages, il me fallait des comédiens au jeu très réaliste, authentique. ».. En 2007, il joue aux côtés de Gérard Darmon et d'Alexandra London dans Thalasso, d'Amanda Sthers, le rôle d'un personnage venu retrouver la femme de sa vie avant qu'elle ne se marie.
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“ Le climax du film est une poursuite à 2kmh à Montmartre c’est pour dire
Dussolier et Frémont sont les seuls à se sortir de ce naufrage ”— ayearinmovies12 avril 2013
“ Boisset nous dépeint la célèbre affaire dans un film pointilleux, didactique, avec en prime l'excellent Thierry Frémont. Mieux que Polanski. ”— BaronneduManoir14 août 2020
“ C'est lourd, répétitif et fatigant, surtout à cause de Lhermitte qui n'est jamais drôle. Arestrup, Bezace et Frémont sont brillants. ”— Cocodeal 3 avril 2021