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Après avoir suivi le Cours Florent puis les cours du Conservatoire National Supérieur de Paris, Thierry Frémont travaille parallèlement avec Jack Waltzers de l'Actor's Studio. Au théâtre, il joue dans plusieurs spectacles de Philippe Adrien, dont Les acteurs de bonne foi et Kinkali, et de Claude Stratz, L’école des mères. Il est dirigé par Aurélien Recoing dans Tête d’or, par Klaus Mickael Gruber dans La mort de Danton, et par Jacques Rosner dans La Cerisaie.
C’est pour Signé Dumas, mise en scène de Jean-Luc Tardieu, qu’il se verra attribuer le Molière du Meilleur Second Rôle en 2004. Il a joué à la Comédie des Champs-Elysées dans une pièce d’Arthur Miller, Broken Glass, avec Anne Brochet ainsi que dans Doute de John Patrick Shanley, mise en scène de Roman Polanski. On a pu aussi le voir sur la scène du théâtre Hébertot dans une pièce d’Amanda Sthers, Thalasso, aux côtés de Gérard Darmon.
Au cinéma, il débute sous la direction de Jean-Claude Tachella dans Travelling avant, film pour lequel il reçoit le César du meilleur espoir masculin en 1988.
Il poursuit sa carrière sous la direction de Marion Haensel dans Les Noces barbares (Prix Jean Gabin), de José Giovanni dans Mon ami le traître de Bertrand Blier, Merci la vie de Olivier Schatzky, Fortune express de Harry Cleven, Abracadabra de Pierre Granier-Deferre, Le petit garçon de Bernard Giraudeau. Bernie Bonvoisin le dirige ensuite dans Les Démons de Jésus et Les grandes bouches, puis il rejoint Dominique Cabrera dans Nadia et les hippopotames et Gérard Lauzier dans Le fils du français. On a pu le voir également dans Femme fatale de Brian de Palma, Livraison à domicile de Bruno Delahaye, Espace Détente de Bruno Solo et Yvan Le Bolloc’h, ainsi que Les Brigades du tigre de Jérôme Cornuau, 13 French Street de Jean-Pierre Mocky et Dans ton sommeil d’Eric Du Potet. Il est actuellement au cinéma dans Djinn’s d’Hugues Martin. Il a joué dans de nombreuses productions télévisées sous la direction de Josée Dayan, Le gang des tractions, de Chantal Picaul dans Terre brûlée, d’Yves Boisset dans L’affaire Dreyfus et Jean Moulin. Il joue sous la direction de Philippe Triboit dans Maria fille de Flandre, de Dominique Cabrera dans Retiens la nuit, de Marc Rivière dans Arthur Rimbaud et de Jérôme Foulon dans De père en fils, ainsi que dernièrement dans le téléfilm de Claude-Michel Rome, Dans la tête du tueur, qui lui valu de rempoter un International Emmy Award du meilleur acteur.
On pourra le retrouver dans La femme qui pleure de Jean-Daniel Verhazghe.