Thibaut Nicolas Marc Courtois nació en Bre, Bélgica, en 1992. Hijo de Thierry Courtois y de Gitte Courtois, comenzó su carrera futbolística a la edad de cinco años en el Bilzerse VV de su ciudad natal dónde jugó durante tres temporadas hasta que se marchó al KRC Genk dónde comenzó jugando como lateral izquierdo antes de ocupar su posición de portero.
Hizo su debut con el primer equipo del KRC Genk a los 16 años el 17 de abril de 2009. Empezó la siguiente temporada como el sexto portero del equipo, pero por las ventas de los porteros dos primeros porteros, la sanción del tercero y las lesiones del cuarto y quinto portero, a Courtois le llegó su oportunidad de debutar en la Primera División Belga con el l KRC Genk.
En la temporada 2009-2010 no disputó ningún partido y estuvo jugando con el equipo de reservas durante todo el año. Sin embargo, a la siguiente temporada 2010-2011, su entrenador lo eligió como el portero titular del equipo y llegó a disputar las fases preliminares de competición europea. Esa temporada firmó su primer contrato como profesional y jugó 44 partidos con su equipo, además de conseguir el título de la Liga Belga, fue el mejor portero de la competición y el mejor jugador de su equipo.
El 16 de julio de 2011 el Genk oficializó la venta del guardameta al Chelsea FC, con el que firmó un contrato de cinco temporadas por un total de casi ocho millones de libras, aunque no podría debutar con el equipo londinense ya que el mismo día que fichó fue cedido al Atlético de Madrid hasta el final de la temporada 2011-2012. Esta temporada tuvo un gran papel en el equipo colchonero y levanto la Europa League. Dehutó por primera vez con la selección belga este año para disputar las fasesde clasificación de la Eurocopa de 2012.
La siguiente temporada el club al que pertenecía, el Chelsea volvió a llegar a un acuerdo con el Atlético de Madrid para que permaneciese otra temporada más en el club madrileño. Comenzó la temporada ganado la SuperCopa de Europa a su equipo, el Chelsea. A nivel de récords personales ganó el Trofeo Zamora por ser el portero menos goleado y batió el récord de impasibilidad de Abel Resino en el Atleti. Terminó la temporada ganando la Copa del Rey al eterno rival, el Real Madrid.
Con la nueva temporada en el punto de mira, el portero expresó du deseo de permanecer otra temporada más en el equipo del Manzanares y el Chelsea FC. se lo concedió. Esta temporada ganó la Liga Española y fue se erigió de nuevo como portero menos goleado con el Trofeo Zamora. Llegó a la final de la Champions, para enfrentarse de nuevo al Real Madrid, pero acabarían perdiendo la final por 4-1.
En la temporada 2014/2015 regresó al equipo londinense, con el que ganó su primer trofeo frente al Tottenham Hotspur por dos goles a cero, sirviéndole para levantar la Copa de la Liga. Esa misma temporada ganaría la Premier League y fue de nuevo el portero menos goleado del torneo. Comenzó una relación en 2014 con Marta Domínguez con quién ha tenido dos hijos: Adriana y Nicolás. Ese mismo año aparecieron informaciones en diversos medios que relacionaban al futbolista con la extronista Jennifer Sánchez, sin embargo, su pareja decidió hacer oídos sordos a la posible infidelidad y se marchó a Londres a vivir con él.
Fue elegido por su selección nacional para disputar la Copa Mundial de Fútbol de 2014, competición en la que disputó todos los partidos como titular y dónde llegó hasta cuartos de final tras perder con Argentina. Consiguió el mismo resultado en la Eurocopa de 2016 de Francia, dónde volvió a caer en Cuartos de Final.
Volvería a ganar la Premier League en 2017, siendo uno de los jugadores más importantes de su equipo al ganar el Guante de Oro de la Premier League. En su última temporada en el equipo inglés se proclamo campeón de la FA Cup tras vencer por 1 a 0 al Manchester United.
En 2017 terminó su relación sentimental con Marta Domínguez un mes antes de convertirse en padres por segunda vez; según explicó la pareja la relación terminaba de forma amistosa y por mutuo acuerdo. El guardameta reconoció que calendario deportivo en Inglaterra está muy cargado y no podía atender a su pareja como es debido. En 2018 se activaron las alarmas de una posible presentación, puesto que se le vio junto a su expareja en su presentación con el Real Madrid.
En 2018 fue de nuevo seleccionado por su país para representarles en el Mundial de Fútbol de 2018 dónde mejoraron las anteriores actuaciones al acabar en tercer lugar, lo que supone el mejor resultado para el combinado belga en un torneo mundial. Su actuación le sirvió para ganar el Guante de Oro como mejor portero del Mundial. En el verano de 2018, tras meses de rumores, fichó por el Real Madrid por seis temporadas y 35 millones de euros. Aunque en este fichaje pareciese que había habido una reconciliación con su expareja, lo cierto es que a principios de 2019 comenzó a salir con la modelo y colaboradora del mundo del corazón Alba Carrillo.
