Hun begynte sin karriere som skuespiller ved Studioteatret og Nationaltheatret. Som sanger ble Thallaug først ansatt ved Gøteborgoperaen i 1960. Fra 1964 var hun tilknyttet Stockholmsoperaen. Hun ble utnevnt som hovsångerska i 1976. I Stockholm hadde hun store roller som , Octavian i og Amneris i . På Den Norske Opera spilte hun av Rossini og sang også i , , og . I 1959 holdt hun sin første liederaften i Oslo. Thallaug hadde siden gjestespill ved Glyndebourneoperaen, Edinburgh-festivalen, La Fenice og La Scala og holdt konserter i USA, Russland, Korea, Israel og Japan. Hun medvirket også i flere TV-forestillinger og plateinnspillinger.