Membre du club d'Hinzenbach, il prendre à ses premières compétitions officielles de la FIS en 2007. À l'été 2009, il fait ses débuts dans la Coupe continentale en Slovénie et monte sur le podium à Kranj.
Thomas Diethart fait ses débuts en coupe du monde en à Innsbruck et marque ses premiers points (28e). Il gagne son premier et seul concours de Coupe continentale à Brotterode un mois plus tard. Pendant la saison 2013-2014, après être de nouveau sélectionné en Coupe du monde, il est notamment quatrième à Engelberg. Peu après, il remporte la tournée des quatre tremplins grâce à une troisième place à Oberstdorf et une victoire à Garmisch-Partenkirchen, qui constituent son premier podium et sa première victoire en coupe du monde, ainsi qu'une cinquième place à Innsbruck et une victoire à Bischofshofen. À l'âge de 21 ans et 315 jours, c'est le plus jeune vainqueur de cette compétition depuis 1999[1],[2]. Diethart est médaillé d'argent par équipes aux Jeux olympiques de 2014[1], tandis qu'il est quatrième au petit tremplin. Après avoir subi plusieurs graves chutes au cours de ces dernières années, Thomas Diethart décide de mettre un terme à sa carrière le [3].
En 2020, il obtient un rôle d'entraîneur dans l'équipe nationale allemande[4].