Nasce il 2 luglio 1974 a Berlino, in Germania. È assistente alla regia al Berliner Ensemble nel 1997/98. Studia letteratura tedesca moderna, storia e politica presso la Libera Università di Berlino fino all'anno 2000. Nello stesso anno inizia a studiare regia cinematografica alla Filmhochschule di Potsdam-Babelsberg. La sua insegnante è stata Rosa von Praunheim, che ha supervisionato il suo lavoro nei primi film. Robert Thalheim torna a teatro nel 2003, mettendo in scena la sua opera, Wild Boys al Maxim Gorki Theater di Berlino. Nel 2004 il suo film d'esordio, Nettowas, vince l'Art of Film Award al Festival of German Film. Nel 2006 termina il suo film per l'esame di diploma, Am Ende kommen Touristen (E alla fine vennero i turisti). Il film viene girato presso l'International Youth Meeting Center a Oświęcim / Auschwitz, dove Thalheim era un volontario nel 1996-97, e vicino al campo di concentramento di Auschwitz. Questo documentario, prodotto da Hans-Christian Schmid e Britta Knöller, viene presentato al Festival di Cannes nel 2007.