Dopo aver giocato a football americano basket e golf nell'high school di Detroit Lakes, Thielen iniziò a giocare per i Mavericks della Minnesota State University con i quali il primo anno fu redshirt, ovvero poteva solo allenarsi con la squadra senza però disputare incontri ufficiali. Nel 2009 catturò 21 passaggi in 9 partite arrivando a mettere anche un touchdown a segno, mentre nel 2010 prese parte a tutti ed 11 gli incontri catturando altri 41 passaggi per 686 yard e 6 touchdown, venendo eletto Offensive Player of the Year del suo team e guadagnandosi l'inserimento nel Second-Team All-NSIC South Division. Thielen chiuse quindi la sua carriera universitaria nel 2012, con 2674 yard, 192 ricezioni, 19 touchdown messi complessivamente a segno in cinque anni (quattro effettivi) trascorsi con i Mavericks[1].
Carriera professionistica
Minnesota Vikings
Dopo non esser stato scelto durante il Draft NFL 2013, Thielen firmò come undrafted free agent con i Vikings il 6 maggio[2] per poi essere tagliato il 31 agosto ed in seguito inserito nella squadra di allenamento[3].
Nel penultimo turno della stagione 2016, Thielen ricevette dal quarterbackSam Bradford un nuovo primato personale di 202 yard (quinto massimo nella storia della franchigia) e 2 touchdown nella sconfitta contro i Green Bay Packers[4].
Nel decimo turno della stagione 2017, Thielen contribuì alla vittoria esterna sui Washington Redskins con 166 yard ricevute e un touchdown su una ricezione acrobatica.[5] Sette giorni dopo ne ricevette altre 123 e andò a segno per il terzo turno consecutivo contro i Los Angeles Rams. Il 23 novembre, nella gara del Giorno del Ringraziamento vinta in trasferta contro i Detroit Lions, con 89 yard ricevute superò per la prima volta quota 1.000, il secondo giocatore più rapido in stagione a tagliare tale traguardo dopo Antonio Brown la settimana precedente[6]. Thielen chiuse la stagione con 1.276 yard ricevute e 4 touchdown in 16 partite (tutte disputate da titolare) che gli valsero la sua prima chiamata al Pro Bowl[7] e l'inserimento nel Second-team All-Pro come wide receiver da parte dell'Associated Press[8].
Nel quinto turno della stagione 2018 Thielen divenne il primo giocatore della storia della NFL a fare registrare almeno 100 yard ricevute in tutte le prime 5 gare della stagione.[9] Nell'ottavo turno pareggiò il record NFL di Calvin Johnson con l'ottava gara consecutiva da 100 yard ricevute.[10] Dopo due settimane meno produttive, tornò ad essere decisivo con 8 ricezioni per 125 yard e un touchdown nella vittoria sui Packers. Quella fu la nona gara da 100 yard ricevute in stagione, superando il record di franchigia di Randy Moss.[11] A fine stagione fu convocato per il suo secondo Pro Bowl.[12]
Nel quinto turno della stagione 2019 Thielen ricevette 130 yard e 2 touchdown nella vittoria sui Giants.[13]
Nel 2020 Thielen si classificò terzo nella NFL con 14 touchdown su ricezione.[14]
Dopo la stagione 2022, i Vikings svincolarono Thielen il 10 marzo 2023.[15] In quel momento era tra i leader di tutti i tempi della franchigia per ricezioni, yard ricevute e touchdown su ricezione.
Carolina Panthers
Il 19 marzo 2023 Thielen firmó un contratto triennale con i Carolina Panthers. Nell'ottavo turno ricevette 8 passaggi per 72 yard con i Panthers che colsero la prima vittoria stagionale. Fu la sua sesta partita consecutiva con almeno 7 passaggi ricevuti, un record di franchigia.[16] Nella settimana 10 con 7 ricezioni divenne il sesto giocatore della storia non scelto nel draft a raggiungere le 600 in carriera.[17]