Den 14. juli 2013 skrev Thiago under kontrakt for for en overgangssum på 25 millioner euro. Den 28. april 2017 skrev han under en ny kontrakt med Bayern München til 2021. Thiago avsluttet karrieren i Bayern München med seier i mesterligafinalen 2019/20, klubbens tredje tittel etter seier i Bundesligaen og den tyske cupen.