Thieme besuchte in Görlitz das Gymnasium Augustum, konnte aber aus finanziellen Gründen das Abitur nicht ablegen. Als Sohn eines Lithographen erlernte der künstlerisch begabte Schüler zunächst diesen Beruf in der väterlichen Anstalt und später auch in Dresden.
Er konnte durch Förderung der Stadt Görlitz 1844 die Dresdner Kunstakademie besuchen, wo er Meisterschüler des Düsseldorfer Professors Julius Hübner war. Von 1851 bis 1855 unternahm er eine Studienreise, die ihn nach Antwerpen und Paris führte. Im Anschluss daran ließ er sich in Dresden als Bildnis- und Historienmaler nieder und betrieb nebenbei ein Immobiliengeschäft.
Nicht nur das Dresdner Bürgertum schätzte Thieme als Porträtmaler. Unter anderen erhielt er vom Magistrat der Stadt Görlitz den Auftrag, mehrere Oberbürgermeister, Stadträte und Pastoren zu malen.
Marius Winzeler: Gotthold Theodor Thieme – ein Görlitzer Porträtist in Dresden (1823–1901). Zum 100. Todestag am 31. Oktober 2001. In: Görlitzer Magazin. 14/15, 2001.