Né en Isère, Thierry Frémaux grandit dans la banlieue lyonnaise aux Minguettes à Vénissieux, où, dès son plus jeune âge, il est initié au cinéma par son père, qui anime un ciné-club. Il devient chroniqueur pour la radio libre associative Radio Canut et étudie l'histoire sociale du cinéma jusqu'en DEA. Il écrit entre autres un mémoire de maîtrise sur les débuts de Positif. Travaillant comme bénévole à l'Institut Lumière dès sa création, il n’échappe pas à l’œil de Bernard Chardère qui voit très vite en lui un cinéphile averti et lui propose un poste en 1989.

Fervent admirateur du septième art, Thierry Frémaux est nommé directeur artistique de l’Institut Lumière en 1997, aux côtés du président Bertrand Tavernier avec lequel il organise des événements majeurs tels que le centenaire du cinéma en 1995. Il voyage d’ailleurs beaucoup en compagnie du cinéaste pour faire connaître la richesse des films Lumière dont il instigue également la restauration. Après avoir décliné le poste de directeur de la Cinémathèque Française en 1999, il succède à Gilles Jacob en tant que délégué artistique du Festival de Cannes, suite au départ précipité d'Olivier Barrot. Il négocie cependant pour ne pas quitter l'Institut Lumière auquel il reste fidèle.

À la tête de la sélection cannoise depuis 2004, il a la dure tâche de choisir ceux qui auront les honneurs de la Croisette. Visionnaire, il fait souffler un vent de changement sur Cannes : il institue le retour des studios américains sur le tapis rouge, étend le Palais des Festivals aux films de genre et au cinéma d'animation, tout en poursuivant l'ouverture aux cinémas exotiques. Acteur incontournable du Festival, c’est aussi grâce à lui que les films classiques restaurés sont désormais projetés.