Thierry Omeyer est né le 2 novembre 1976 à Mulhouse. Il débute le handball à 9 ans au club de Cernay en Alsace, où il passera par tous les échelons d'une carrière de handball : comité départemental, Ligue, Pôle, Centre de formation, pour ensuite partir en 1994 au centre de formation du club de l'élite de Sélestat. Il se fera connaître petit à petit pour ses pourcentages d'arrêts par match, atteignant plus de 50 %.

En 2000, Montpellier décide de l'engager. Omeyer n'est pas encore conscient qu'il va connaître ses plus belles heures de handball. Dès 2001, il remporte avec l'équipe de France le championnat du monde 2001 en France.

L'année suivante, Omeyer est le premier gardien du MHB. Il remporte ses premiers trophées (championnat de France et Coupe de France). En 2003, il remporte ces mêmes trophées, auxquels il ajoute la victoire en Ligue des champions avec la génération Karabatic, Dinart, Martini, etc. De 2004 à 2006, il réussira à chaque fois le doublé Coupe-championnat et quelques beaux matches en Ligue des Champions.

Au début de la saison 2006-2007, Omeyer, désireux d’évoluer dans un championnat plus relevé, décide de quitter Montpellier pour rejoindre Kiel, club où il prend la place de Henning Fritz. Durant cette même saison 2006-2007, sa quête de consécration mondiale échoue face aux Allemands et à un Henning Fritz remonté qui obtient le titre de meilleur gardien du tournoi.

Toutefois, Thierry Omeyer reste le gardien incontesté de Kiel en raison des différentes blessures de Henning et de son départ annoncé pour le SG Kronau/Östringen.

Le 22 août 2008, il permet à l'équipe de France d'accéder pour la première fois de son histoire à la finale des Jeux Olympiques de Pékin en réalisant un match « énorme »[réf. nécessaire] face à la Croatie. La finale se jouera contre l'Islande.

Le 24 août 2008, grâce notamment à sa prestation exceptionnelle dans les buts (19 arrêts sur 39 tirs islandais!), la France bat l'Islande 28 à 23 en finale des Jeux