Avec Jacky Ickx, Thierry Boutsen fait partie des meilleurs pilotes belges de la Formule 1.

Thierry s'inscrit en 1975 à l'école de pilotage André Pilette, à Zolder. D'abord parti pour être ingénieur, c'est derrière le volant qu'il préfère se retrouver. En 1977, il prépare sa propre voiture de Formule Ford 1600, et l'année suivante, au volant d'une Crossle, il remporte quinze des dix-huit épreuves de la saison, et s'empare en toute logique du titre du Benelux. L'année suivante, il passe à la Formule 3, mais pas avec la même réussite. L'année suivante, il réussit à terminer vice-champion européen avec trois victoires au Nürburgring, au Zolder et à Magny-Cours, avant d'être dépassé par Michele Alboreto. En 1981, il entre en Formule 2 avec March et termine là aussi vice-champion, derrière Geoff Lees, avec deux victoires au Nürburgring et à Enna-Pergusa. L'année suivante, il termine troisième, malgré ses trois victoires avec Spirit. Finalement, en 1983, il entre dans la cour des très grands.

Thierry dispose d'une Arrows A6, qui n'est pas la plus performante des monoplaces et il ne rentre pas dans les points de toute l'année. Il reste chez Arrows en 1984, et dès l'ouverture de la saison, se classe dans les points. Une cinquième place suivra à Imola, puis en Autriche malgré les différents problèmes qu'il rencontra avec l'A7. En 1985, Thierry réalise un Grand Prix de Saint-Marin magnifique, il se classe cinquième sur la grille de départ, avant de terminer la course à la troisième place, qui devient une deuxième place après la disqualification d'Alain Prost. En Allemagne, il termine à quatre secondes du podium. Mais ces belles performances ne se répètent pas en 1986 et après une saison vierge de tout point en F1, mais ponctuée d'une victoire lors des 1000 kms de Spa-Francorchamps sur Porsche, il part chez Benetton.

En qualifications, c'est tout de suite la différence, il se place facilement dans le top dix. Mais des problèmes mécaniques ruinent la première moitié de sa saison, et après avoir terminé quatrième en Hongrie et en Autriche, il monte de nouveau sur le podium avec une troisième place lors de la dernière course de l'année à Adelaïde. En 1988, il réalise une magnifique saison, il termine sur le podium à cinq reprises et termine quatrième au championnat.

En 1989, il rejoint l'écurie Williams, dont les monoplaces dotées d'un moteur Renault, commencent à gagner en compétitivité face aux McLaren. Lors du Grand Prix du Canada, Thierry profite de la casse moteur d'Ayrton Senna pour signer sa première victoire en F1 sur une piste détrempée. Il triomphe à nouveau en Australie, et toujours dans des conditions pluvieuses. En 1990, il réalise un week-end magnifique à Budapest, avec la pole-position et la victoire après avoir mené entièrement la course, et surtout résisté aux attaques d'Ayrton Senna, qui finit à moins de trois dixièmes. Cependant, à la fin de la saison, Williams choisit de ne pas renouveler son contrat.

La seule option qui s'offre à Thierry, c'est de piloter pour Ligier, mais les voitures bleues d'aujourd'hui n'ont plus rien à voir avec celles des années 80. Avec un moteur Lamborghini peu efficace, le pilote belge termine aux portes des points à deux reprises à Imola et à Monaco. L'année suivante, les Ligier sont équipées de moteur Renault, mais ce n'est qu'un léger mieux, et Thierry sauve sa saison lors de la dernière course, en terminant cinquième en Australie. Sans volant pour la saison 1993, il est contacté par Eddie Jordan pour remplacer Capelli. Une monoplace peu fiable et peu efficace en course aura raison de Thierry qui abandonne la Formule 1 à Spa-Francorchamps, quand sa boite de vitesse casse dans le premier tour.

Cette même année, Thierry termine deuxième des 24 heures du Mans avec Yannick Dalmas et Teo Fabi sur une Peugeot 905, à un tour de leurs coéquipiers Hélary, Bouchut et Brabham. En 1994 et 1995, il court en Allemagne, le championnat de voiture de tourisme, mais avec une Ford Mondeo, il ne fait pas le poids face à des adversaires plus coriaces, Audi et BMW. En 1996, il termine de nouveau deuxième des 24 heures du Mans avec Hans Stuck et Bob Wollek, encore une fois à un tour des vainqueurs, mais termine premier de sa catégorie GT1. En 1997, il participe au championnat de FIA GT avec une 3ème place à Spa-Francorchamps. En 1998, il passe au championnat américain de courses sur route, et remporte dans le championnat de Belcar, les 24 heures de Zolder. En 1999, il est victime d'un terrible accident aux 24 heures du Mans, dans lequel, il est touché à la colonne vertébrale. Thierry juge bon de mettre un terme à sa carrière automobile.