Nato e cresciuto nella Berlino Ovest, Thor Freudenthal frequenta l'Accademia delle Arti della sua città e più tardi vola sull'Oceano Atlantico per atterrare nella California del Sud; ha vinto infatti una borsa di studi alla CalArts (California Institute of the Arts).
Il talento di Freudenthal per la narrazione visiva ha avuto modo di esprimersi già al liceo, quando ha scritto e illustrato una serie di fumetti per Carlsen, l'editore tedesco di "Tintin". La passione di Freudenthal è da sempre rivolta all'animazione, e alla fine degli anni Novanta inizia la sua carriera dirigendo i suoi primi corti animati: Monkey Business, The Tenor, Mind the Gap gli permettono di farsi le ossa nella difficile arte dell'animazione.

I lavori con la Sony Pictures
Nel 1999 Freudenthal lavora con la Sony Pictures Imageworks per lo sviluppo di effetti visivi nella commedia familiare Stuart Little e nel suo seguito, Stuart Little 2 (2002). Il primo episodio con protagonista il simpatico topolino ha ricevuto una nomination agli Oscar per i Migliori effetti visivi. Con la Sony ha inoltre collaborato alla creazione dei personaggi e dello storyboard del corto The Chubbchubbs!, nominato ai BAFTA e vincitore dell'Oscar come Miglior corto animato nel 2003.
Sempre nel 2003, Freudenthal è il regista della seconda unità del fantasy della Disney con Eddie Murphy La casa dei fantasmi; due anni più tardi torna a dirigere un corto con Motel, il suo primo lavoro in live-action; di esso cura anche la sceneggiatura.

Regista di film per ragazzi
Thor Freudenthal debutta alla regia di un lungometraggio con la commedia familiare Hotel Bau (2009) e doppia l'esperienza dietro la macchina da presa l'anno seguente con Diario di una schiappa, live-action con inserti animati adattato dal romanzo illustrato di Jeff Kinney.
Continua poi la sua specializzazione in pellicole per ragazzi con Percy Jackson & the Olympians: The Sea of Monsters, secondo capitolo della saga iniziata con Percy Jackson e gli Dei dell'Olimpo - Il ladro di fulmini diretto da Chris Columbus e tratto dall'omonima serie fantasy scritta da Rick Riordan composta da cinque romanzi.