Thierry Boutsen commence sa formation en sport automobile en 1977 à l'école de pilotage d'André Pilette, sur le circuit de Zolder. En 1978, il participe au championnat de Belgique de Formule Ford 1600 et remporte quinze des dix-huit épreuves de la saison, décrochant logiquement le titre du Benelux.

En 1979, il intègre le championnat d'Europe de Formule 3 au volant d'une Ralt-Toyota et se classe treizième. L'année suivante, il rejoint l'écurie Oreca et pilote une Martini-Toyota. Il s'impose sur le Nürburgring, à Zolder et à Magny-Cours. Au terme d'une lutte constante avec l'Italien Michele Alboreto, il termine vice-champion d'Europe de la discipline. Cette performance lui ouvre les portes du championnat d'Europe de Formule 2 pour l'année suivante.

En 1981, il rejoint l'écurie officielle March Racing Team. Au volant d'une March-BMW, il remporte deux victoires notables sur le Nürburgring et à Enna-Pergusa. Grâce à sa régularité, il se hisse au rang de prétendant au titre mondial, mais termine la saison à la deuxième place, derrière Geoff Lees. La même année, il fait ses débuts en endurance en participant pour la première fois aux 24 Heures du Mans sur une WM-Peugeot, une épreuve marquée par un retrait prématuré.

Pour la saison 1982, il signe avec l'écurie Spirit Racing, qui développe un moteur V6 Honda turbocompressé en vue d'une future accession à la Formule 1. Au volant de la Spirit 201, il s'impose à trois reprises : au Nürburgring, à Spa-Francorchamps et à Enna-Pergusa. Il termine l'exercice au troisième rang du championnat.

En F1 avec Arrows

C'est à l'occasion du Grand Prix de Belgique 1983, disputé sur le nouveau tracé de Spa, que Thierry accède à la Formule 1 au sein de l'écurie Arrows. Il remplace le Brésilien Chico Serra et dispose d'une Arrows A6 équipée d'un moteur Ford Cosworth. Pour sa première apparition, il se qualifie en dix-huitième position, mais abandonne à la suite d'un problème de suspension. Deux semaines plus tard, à Détroit, il réalise une course solide malgré la chaleur étouffante et termine à la septième place, à la porte des points. Au Canada, il réitère cette performance et franchit à nouveau la ligne en septième position. La suite de la saison s'avère plus difficile, Thierry ne parvenant plus à terminer aussi bien, si ce n'est en Allemagne où il se classe neuvième. Après deux abandons pour pannes mécaniques aux Pays-Bas et en Italie, il termine hors des points lors des deux derniers Grands Prix. Au terme de cette saison partielle, Thierry ne marque aucun point au championnat, mais sa domination interne chez Arrows et ses arrivées dans le top 10 lui garantissent son volant pour l'année suivante.

Thierry dispute la saison 1984, marquée par une transition technologique majeure pour l'écurie britannique. En début de championnat, il dispose de la monoplace de la saison précédente, l'Arrows A6, équipée d'un moteur atmosphérique Ford Cosworth qui accuse un déficit de puissance face aux moteurs turbocompressés. Lors de la première manche, au Brésil, il franchit la ligne en septième position, qui se transformera en sixième place à la suite de la disqualification des Tyrrell fin août. Après une douzième place en Afrique du Sud, l'écurie introduit l'Arrows A7, une voiture conçue pour accueillir le puissant moteur BMW turbocompressé, lors du Grand Prix de Belgique. Qualifié seulement en 17e position, il abandonne rapidement à cause d'un problème moteur. Le premier résultat significatif intervient lors de la quatrième manche, à Saint-Marin. Au volant d'une A6, il profite des défaillances de ses concurrents et se classe cinquième, inscrivant ainsi ses deux premiers points de la saison. Pour la suite de la saison, Thierry utilisera l'A7, mais cette transition s'avère délicate. Après une onzième place en France, il ne parvient pas à se qualifier à Monaco. La période estivale est particulièrement éprouvante sur le plan de la fiabilité. Lors de la tournée nord-américaine, à Montréal, à Détroit et à Dallas, le pilote belge subit trois abandons consécutifs dus à des problèmes de moteur. Cette série d'abandons se poursuit en Grande-Bretagne et en Allemagne, avant que le pilote belge ne retrouve de la performance en Autriche. Sur ce circuit de haute vitesse qui favorise la puissance du moteur allemand, il réalise une prestation solide et se hisse à la cinquième place. Après un abandon aux Pays-Bas à la suite d'un accrochage, il se classe dixième en Italie, puis neuvième lors du Grand Prix d'Europe. Il achève l'année par un abandon au Portugal et se classe quinzième du championnat.

En 1985, Thierry poursuit sa carrière avec l'écurie Arrows, au volant de la nouvelle A8, toujours motorisée par un moteur V6 BMW turbo. Le championnat commence au Brésil, sur le circuit de Jacarepaguá, où il se classe onzième, puis se termine par un abandon au Portugal. Le fait marquant de son début de saison se produit lors du Grand Prix de Saint-Marin. Qualifié en cinquième position, il rate son départ et se retrouve neuvième. Cependant, en fin de course, certains de ses adversaires tombent en panne d'essence et le pilote belge se retrouve troisième. Mais il tombe lui aussi en panne d'essence et pousse sa voiture pour sauver son premier podium. La disqualification ultérieure du vainqueur, Alain Prost, pour non-respect du poids minimum, lui permet de récupérer la deuxième place. Lors des quatre manches suivantes, il termine dans les dix premiers, mais hors des points, avant d'abandonner en Grande-Bretagne. Il marque à nouveau des points en Allemagne, où il réalise une course solide qui le conduit à la quatrième place. Il ne parvient pas à marquer de points lors des quatre Grands Prix suivants, mais maintient son niveau de performance et se classe deux fois sixième lors des Grands Prix d'Europe et d'Afrique du Sud, avant de conclure l'année par un gros accident en Australie, heureusement sans gravité. Thierry se classe onzième du championnat, devançant son coéquipier Gerhard Berger. Il s'affirme ainsi comme le pilier technique de la structure Arrows.

Sa saison 1986 commence par un abandon au Brésil, dû à une défaillance de l'échappement. Les épreuves suivantes, en Espagne et à Saint-Marin, se soldent par deux septièmes places et une huitième à Monaco. La suite de sa saison s'avère ensuite difficile. Après trois abandons dus à des problèmes mécaniques, il termine non classé en France et en Grande-Bretagne. L'écurie introduit alors l'Arrows A9, une voiture dont les concepts aérodynamiques ont été revus, lors du Grand Prix d'Allemagne. Thierry constate rapidement les lacunes structurelles de cette nouvelle voiture. Après un abandon prématuré en Allemagne, l'équipe technique décide de revenir définitivement au modèle précédent, mais le pilote belge abandonne également en Hongrie. Il pilote à nouveau l'A9 en Autriche, mais abandonne à cause du turbo. Il revient alors à l'A8 jusqu'à la fin du championnat. Lors du Grand Prix d'Italie, il réalise une belle prestation, mais ne franchit la ligne d'arrivée qu'au septième rang, échouant à la porte des points. Il se classe ensuite dixième au Portugal, puis septième au Mexique. Lors de la dernière manche en Australie, il est contraint à l'abandon et termine donc cette saison sans avoir marqué le moindre point. Ce bilan comptable vierge scelle son départ de l'écurie Arrows.

Benetton

En 1987, il rejoint l'écurie Benetton, marquant un tournant qualitatif majeur dans sa carrière. Il dispose de la B187, une monoplace conçue par Rory Byrne et équipée du moteur Ford Cosworth V6 turbo dont l'écurie a l'usage exclusif. Dès le Grand Prix inaugural au Brésil, le pilote belge se qualifie en sixième position et franchit la ligne d'arrivée à la cinquième place, marquant ses deux premiers points pour l'écurie. Cependant, la suite de la campagne printanière est marquée par la fragilité mécanique de sa monoplace. Alors qu'il parvient régulièrement à se qualifier dans le top 10, il enchaîne cinq abandons consécutifs alors qu'il se trouve systématiquement dans les points au moment de ses arrêts forcés. Après une septième place en Grande-Bretagne et un nouvel abandon en Allemagne, il réalise un redressement en Hongrie. Qualifié en septième position, il réalise une course solide et termine à la quatrième place. Il réitère cette performance deux semaines plus tard, en Autriche. Sa série de résultats positifs se poursuit en Italie, où il décroche la cinquième place. Après trois Grands Prix sans résultat, il marque à nouveau des points au Japon en terminant cinquième. L'apogée de sa saison intervient lors de la dernière manche en Australie, sur le circuit urbain d'Adélaïde. Parti de la cinquième place, il évite les pièges d'une course éprouvante pour franchir la ligne d'arrivée à la troisième place, décrochant ainsi son unique podium de la saison. Thierry achève le championnat au huitième rang mondial, confirmant ainsi son intégration réussie au sein d'une écurie de pointe.

En 1988, Ford Cosworth décide d'abandonner le moteur V6 turbo, estimant qu'un moteur V8 atmosphérique serait compétitif dans une monoplace légère pouvant consommer davantage d'essence. Lors du premier Grand Prix de la saison, Thierry se classe septième, mais c'est lors de la deuxième manche, à Saint-Marin, qu'il affirme sa compétitivité en terminant quatrième, s'imposant d'emblée comme le pilote le plus performant du peloton des motorisations non-turbo. Après des résultats plus discrets à Monaco et au Mexique, où il se classe huitième, le pilote belge réalise une percée significative lors de la tournée nord-américaine. Au Grand Prix du Canada, il franchit la ligne d'arrivée en troisième position, derrière les dominantes McLaren-Honda. Il réitère cette performance deux semaines plus tard à Détroit, où il termine à nouveau troisième. De retour en Europe, il est contraint à l'abandon en France et en Grande-Bretagne, où l'on apprend qu'il a été recruté par Williams pour la saison suivante. Après une sixième place en Allemagne, il monte sur la troisième marche du podium en Hongrie. En Belgique, devant son public, il franchit de nouveau la ligne d'arrivée en troisième position, mais les Benetton sont disqualifiés car le carburant prélevé n'est pas conforme. Il se classe ensuite sixième en Italie et décroche son quatrième podium au Portugal en terminant à nouveau troisième. Ces performances permettent à l'écurie Benetton de lutter pour la première place du championnat des constructeurs, face à des structures disposant de moteurs turbocompressés plus puissants. Alors qu'il s'élance de la quatrième position en Espagne, il perd son aileron avant lors du départ, à la suite d'un accrochage, et ne termine que neuvième. Lors du Grand Prix du Japon, il remonte de la dixième à la troisième place et monte pour la cinquième fois sur le podium. Il conclut son parcours avec Benetton par une cinquième place en Australie. Thierry décroche la quatrième place du championnat, devenant ainsi le meilleur pilote « atmosphérique » de la saison.

Williams

En 1989, il rejoint l'écurie Williams-Renault, marquant ainsi le retour du motoriste français en Formule 1 avec son premier bloc V10 atmosphérique. Lors des essais privés précédant le Grand Prix du Brésil, il est victime d'un accident effrayant, heurtant le rail à 220 km/h, mais s'en sort avec seulement quelques contusions. Lors du Grand Prix, il se qualifie quatrième, mais la casse de son moteur dès les premiers tours le contraint à l'abandon. Il marque ses premiers points à Saint-Marin en se classant quatrième. Les Grands Prix de Monaco et du Mexique sont marqués par des difficultés de mise au point et des problèmes de fiabilité. Qualifié en 16e position à Phoenix, il parvient à terminer sixième. Le tournant de la saison survient au Canada. Sous une pluie battante rendant la piste extrêmement glissante, Thierry réalise une course de gestion exemplaire. Profitant de l'abandon d'Ayrton Senna en fin de course, il franchit la ligne d'arrivée en vainqueur, signant ainsi sa première victoire en Formule 1 et le premier succès du moteur Renault V10. Il ne marque aucun point lors des trois manches suivantes, victime de problèmes mécaniques en France, d'une crevaison en Grande-Bretagne et d'un accrochage en Allemagne. Il enchaîne ensuite avec trois bons résultats, montant sur la troisième marche du podium en Hongrie, se classant quatrième en Belgique, puis de nouveau troisième en Italie. A partir du Portugal, il pilote la nouvelle FW13, mais ses deux premières sorties se soldent par deux abandons. Lors du Grand Prix du Japon, marqué par l'accrochage entre Senna et Prost, il termine initialement quatrième, mais récupère la troisième place à la suite de la disqualification du pilote brésilien. L'apogée de sa saison intervient lors de la dernière manche en Australie, sur le circuit urbain d'Adélaïde. La course se déroule sous un déluge torrentiel qui provoque de nombreux accidents. Dans ces conditions extrêmes, Thierry fait preuve d'une maîtrise totale, dominant l'épreuve de bout en bout pour remporter sa deuxième victoire de la saison. Il achève le championnat au cinquième rang mondial, à trois points de Ricardo Patrese, son coéquipier, qui se classe troisième sans avoir remporté de victoires.

Sa saison 1990 commence sur le circuit urbain de Phoenix, aux Etats-Unis. Au volant de la Williams FW13B, il réalise une course solide et monte sur la troisième marche du podium. Il poursuit sa récolte de points avec une cinquième place au Brésil. Il alterne ensuite entre les abandons et les arrivées dans les points : abandon en Saint-Marin, quatrième à Monaco, abandon au Canada, cinquième au Mexique et abandon en France. Lors du Grand Prix de Grande-Bretagne, il monte à nouveau sur le podium en se classant deuxième. Après une sixième place en Allemagne, le point culminant de sa saison survient en Hongrie, où il décroche sa première (et unique) pole position. Le jour de la course, il conserve l'avantage au départ et mène l'intégralité de l'épreuve, malgré la pression constante d'Ayrton Senna. Il ne commet cependant aucune erreur et remporte sa troisième victoire en Grand Prix. Ce succès est particulièrement significatif, car il est obtenu sur une piste sèche et au terme d'un duel direct avec le leader du championnat. Mais après ce superbe résultat, le pilote belge enchaîne trois abandons. La fin de saison est cependant marquée par une présence constante dans le haut du classement. Il se classe quatrième en Espagne, puis cinquième au Japon et en Australie. Malgré sa victoire et sa sixième place au championnat, l'écurie Williams le remplace par Nigel Mansell pour la saison suivante.

Ligier

En 1991, il rejoint l'écurie française Ligier, marquant ainsi un contraste net avec ses années chez Williams. Il pilote d'abord la Ligier JS35, puis sa version évoluée, la JS35B, toutes deux équipées du moteur Lamborghini V12. Cette motorisation, prestigieuse par sa sonorité et son architecture, s'avère toutefois extrêmement lourde et volumineuse, ce qui pénalise l'équilibre aérodynamique et la répartition des masses du châssis conçu par Michel Beaujon. Dès le Grand Prix des Etats-Unis, les limites de la monoplace apparaissent : Thierry se qualifie en 20e position et abandonne prématurément sur rupture de moteur. La saison devient une épreuve de patience pour le pilote belge qui doit composer avec une fiabilité aléatoire et un manque de vitesse de pointe flagrant par rapport aux écuries de pointe. Son meilleur résultat de l'année intervient lors du Grand Prix de Saint-Marin, où il termine à la septième place, à la porte des points. Il réitère cette performance au Grand Prix de Monaco, confirmant ainsi sa capacité à tirer le meilleur parti d'un matériel difficile à maîtriser sur des tracés exigeants. Malgré ses efforts constants et sa domination sur son coéquipier Erik Comas en début de saison, Boutsen achève l'année 1991 sans aucun point, une première pour l'écurie depuis plusieurs années.

L'année 1992 est pleine d'espoir pour lui, avec l'arrivée du moteur Renault V10 chez Ligier, identique à celui qui domine le championnat avec Williams. Il dispose de la Ligier JS37, une monoplace qui intègre des technologies avancées, comme la suspension active. Cependant, l'intégration du bloc français dans le châssis tricolore s'avère décevante sur le plan aérodynamique. Le pilote belge commence la saison par une série de résultats hors des points, marquée par quatre abandons en cinq Grands Prix. La JS37 souffre d'un manque de motricité et d'une instabilité chronique dans les courbes rapides, ce qui limite ses ambitions et l'oblige à lutter pour se maintenir dans le milieu du peloton. Sa persévérance finit par porter ses fruits lors de la dernière manche du championnat, au Grand Prix d'Australie. Parti de la 22e position, il réalise une course d'attente intelligente dans des conditions météorologiques variables et profite des nombreux incidents de course pour franchir la ligne d'arrivée en cinquième position. Malgré cette issue positive, le manque de compétitivité globale de l'écurie durant l'année le conduit à la quitter à la fin de la saison.

Jordan

Au début de la saison 1993, Thierry n'a pas de contrat. Il est alors contacté par Eddie Jordan, qui doit remplacer Ivan Capelli, l'Italien ayant décidé de mettre fin à sa collaboration avec l'écurie irlandaise après deux Grands Prix. Il prend donc le volant de la Jordan 193, une monoplace motorisée par un moteur V10 Hart. Après deux abandons, il franchit la ligne d'arrivée en onzième position lors du Grand Prix d'Espagne, mais abandonne de nouveau à Monaco. La tournée nord-américaine au Canada se solde par une douzième place. Il poursuit sa saison avec une onzième place en France, un abandon en Grande-Bretagne et une treizième place en Allemagne. Lors du Grand Prix de Hongrie, il réalise sa meilleure performance de la saison en se classant neuvième. Quelques jours avant le Grand Prix de Belgique, qui se tient à Spa-Francorchamps et marque les dix ans de Thierry en Formule 1, ce dernier annonce qu'il met fin à sa carrière dans la discipline reine à l'issue de son Grand Prix national. Qualifié en 20e position, il voit sa course s'arrêter brutalement dès le premier tour, à cause d'une défaillance de la transmission.

L'après-F1

Après avoir quitté la Formule 1, Thierry Boutsen se tourne vers l'endurance. L'année précédente, il avait déjà participé aux 24 Heures du Mans avec une Peugeot 905, terminant deuxième aux côtés de Teo Fabi et Yannick Dalmas. En 1994, il rejoint les rangs de Porsche pour disputer les 24 Heures du Mans au volant de la Dauer 962 LM. Associé à Hans-Joachim Stuck et Danny Sullivan, il termine troisième du classement général. Cette collaboration avec le constructeur de Stuttgart se prolonge durant plusieurs saisons, notamment dans le championnat BPR Global GT Series, où il devient l'un des piliers de la marque allemande.

En 1996, il participe activement au développement et au lancement de la Porsche 911 GT1. Lors de l'épreuve mancelle, il partage le volant avec Hans-Joachim Stuck et Alexander Wurz. L'équipage termine deuxième, à un tour seulement des vainqueurs.

A partir de 1998, il rejoint le programme Toyota GT-One en tant que pilote-développeur. Lors des 24 Heures du Mans de cette même année, son équipage occupe la tête de la course pendant une grande partie de l'épreuve, jusqu'à ce qu'une défaillance de la transmission survienne à une heure du drapeau à damier. L'année suivante, en 1999, sa carrière de pilote prend brutalement fin sur le circuit de la Sarthe. Victime d'un accident violent à haute vitesse durant la nuit, il se blesse gravement aux vertèbres et doit mettre un terme définitif à sa carrière de pilote.

Cette transition forcée l'amène à se consacrer pleinement à son entreprise, Boutsen Aviation, qu'il a fondée en 1997. Spécialisée dans le courtage d'avions d'affaires, l'entreprise est fondée en 1997. Parallèlement à ses activités commerciales, il fonde avec son épouse l'écurie Boutsen Energy Racing en 1999. L'écurie s'engage dans divers championnats européens, notamment en Formule Renault, en GT et en Le Mans Series, et remporte plusieurs titres tout en assurant la promotion de jeunes pilotes.