En tant que footballeur, il débute en région parisienne avant de terminer sa formation à l'AS Monaco. Il y débute en Championnat de France en 1991. Thuram s'impose au fil des saisons en défense de l'équipe toujours bien classé en Division 1 et qui joue presque chaque saison une Coupe d'Europe. En 1996, il rejoint le meilleur championnat d'alors, la Serie A italienne. Au Parme AC, Thuram est replacé défenseur central et en forme un binôme reconnu pour son efficacité avec Fabio Cannavaro. Lors de l'année 1999, Parme remporte le quadruplé Coupe de l'UEFA-Coupe d'Italie-Supercoupe italienne-Supercoupe d'Europe. En 2001, le Français rejoint la Juventus Turin avec laquelle il gagne plusieurs fois la Serie A et est finaliste de la Ligue des champions 2003. Il quitte le club en 2006 au moment du Calciopoli. Après deux saisons au FC Barcelone, il doit mettre un terme à sa carrière à la suite de la détection d'un problème cardiaque.