Nacido en Tullins-Fures (Isère), Thierry Frémaux creció en el barrio de las Minguettes de Vénissieux, en las afueras de Lyon. Aficionado al cine desde muy joven, Frémaux se convirtió en reportero radiofónico de la emisora asociativa Radio Canut, de la que había sido cofundador, al tiempo que se especializaba en Historia en la Universidad de Lyon 2. En 1984, realizó una tesis de máster sobre los debuts de la revista de cine Positif, creada en Lyon por Bernard Chardère en 1952. Tres décadas más tarde, Bernard Chardère se convertiría en el director fundador del Instituto Lumière.
Después de su licenciatura, Thierry Frémaux trabajó en una tesis sobre la historia social del cine, pero su implicación en el Instituto Lumière le impidió terminarla. Voluntario desde su creación en 1982, se convirtió en empleado del Instituto por recomendación de Bernard Chardère en 1990. Cinco años más tarde, fue nombrado Director Artístico junto con el Presidente Bertrand Tavernier. Juntos organizaron el centenario del Cinematógrafo Lumière en 1995 y colocaron la primera piedra de la reconstrucción del Hangar du Premier-Film. Poco después de rechazar una oferta para dirigir la Cinemateca Francesa en 2000, fue nombrado Delegado Artístico del Festival de Cannes en 2001. En 2007, fue nombrado Delegado General del certamen por su predecesor Gilles Jacob (que se había convertido en Presidente del festival), sin abandonar nunca sus actividades en Lyon.
Desde 1990, Thierry Frémaux invita a Lyon a cineastas de todo el mundo y los acoge en el Instituto Lumière y en la calle del Primer Cine. En 1992, creó con Bertrand Tavernier una colección de libros de temática cinematográfica para la editorial Actes Sud.