Thomsen er blant annet kjent for sitt arbeide med å dechiffrere de tyrkiske Orkhon-inskripsjonene fra det 8. århundre i Orkhon-elvedalen i Mongolia. Dette arbeidet ble utført i konkurranse med den russiske språkforskeren Vasily Radlov (Wilhelm Radloff), som var grunnleggeren av turkologien. Thomsen ble også kjent for sine studier av opprinnelsen av de russiske og de finske språkene.