Sachverhalt:
A. Der 1957 geborene B._ war seit 2. April 1980 als Bauarbeiter für die X._ AG, Bauunternehmung, tätig und in dieser Eigenschaft bei der Schweizerischen Unfallversicherungsanstalt (SUVA) gegen die Folgen von Unfällen und Berufskrankheiten versichert. Am 27. Januar 2005 fiel er beim Ausschalen einer Decke von der Bockleiter und zog sich dabei eine Commotio cerebri sowie eine Schulter- und Beckenkontusion rechts zu (Austrittsbericht des Spitals M._ vom 1. Februar 2005). Die SUVA kam für die Heilbehandlung auf und richtete Taggelder aus. B._ nahm seine Arbeit am 9. Juni 2005 zu 50 % und ab 1. Juli 2005 zu 100 % wieder auf. Mit Schreiben vom 15. Februar 2006 stellte die SUVA die Versicherungsleistungen ein und schloss den Fall ab. Dagegen opponierte B._ am 6. März 2006 unter Hinweis auf persistierende Kopfschmerzen, Schwindelanfälle und Probleme mit dem Gehör.
Beim Versuch, einen Stahlquerträger einzuschweissen, verlor B._ am 22. August 2006 das Gleichgewicht, stürzte unbehelmt aus einer Höhe von ungefähr fünf Metern in eine Baugrube und erlitt gemäss Austrittsbericht des Spitals S._ vom 18. September 2006 eine Distraktionsverletzung Th8/9 mit Processus-articularis- und Lamina-Fraktur, einen Vorderkantenabriss Th9, eine Thoraxkontusion mit Rippenfraktur Costa 8 links und 9 rechts und Sternumfraktur sowie ein Schädel-Hirntrauma mit Commotio cerebri und ausgedehnter Rissquetschwunde am Schädel frontal. Er wurde mit der REGA ins Spital S._ geflogen, wo am gleichen Tag eine Rückenoperation durchgeführt wurde. Die SUVA erbrachte auch für diesen Unfall Versicherungsleistungen. Mit Verfügung vom 31. Juli 2008 stellte sie ihre Leistungen bezüglich der Ereignisse vom 27. Januar 2005 und 22. August 2006 mangels organisch nachweisbarer Unfallfolgen bei fehlender Unfallkausalität psychisch bedingter Beeinträchtigungen auf den 15. August 2008 ein, was sie mit Einspracheentscheid vom 17. Juli 2009 bestätigte.
B. Das Verwaltungsgericht des Kantons Thurgau wies die dagegen erhobene Beschwerde ab (Entscheid vom 14. Juli 2010).
C. B._ lässt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten führen und beantragen, die SUVA habe über den 15. August 2008 hinaus die Heilkosten zu tragen und Taggeldleistungen zu erbringen; ab Berentungszeitpunkt sei eine Invalidenrente, basierend auf einer vollständigen Erwerbsunfähigkeit, auszurichten, wobei auch die Übernahme der Heilungskosten weiter zu gewährleisten sei; zudem sei eine Integritätsentschädigung, entsprechend einer Integritätseinbusse von mindestens 80 %, zu bezahlen; eventualiter sei die Sache zur weiteren Abklärung und zur Neubeurteilung an das kantonale Gericht oder an die SUVA zurückzuweisen.
Das kantonale Gericht und die SUVA schliessen auf Abweisung der Beschwerde. Das Bundesamt für Gesundheit verzichtet auf eine Vernehmlassung.

Erwägungen:
1. 1.1 Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten kann wegen Rechtsverletzung gemäss Art. 95 und Art. 96 BGG erhoben werden. Das Bundesgericht wendet das Recht von Amtes wegen an (<ref-law>). Es ist somit weder an die in der Beschwerde geltend gemachten Argumente noch an die Erwägungen der Vorinstanz gebunden; es kann eine Beschwerde aus einem anderen als dem angerufenen Grund gutheissen und es kann sie mit einer von der Argumentation der Vorinstanz abweichenden Begründung abweisen (vgl. <ref-ruling> E. 1.4 S. 140). Gemäss <ref-law> ist die Beschwerde hinreichend zu begründen, andernfalls wird darauf nicht eingetreten (<ref-law>). Das Bundesgericht prüft grundsätzlich nur die geltend gemachten Rügen; es ist nicht gehalten, wie eine erstinstanzliche Behörde alle sich stellenden rechtlichen Fragen zu prüfen, wenn diese vor Bundesgericht nicht mehr vorgetragen wurden (<ref-ruling> E. 2.2.1 S. 389 mit Hinweisen; Urteil 8C_934/2008 vom 17. März 2009 E. 1, nicht publ. in: <ref-ruling>, aber in: SVR 2009 UV Nr. 35 S. 120).
1.2 Im Beschwerdeverfahren um die Zusprechung oder Verweigerung von Geldleistungen der Militär- oder Unfallversicherung ist das Bundesgericht nicht an die vorinstanzliche Feststellung des rechtserheblichen Sachverhalts gebunden (Art. 97 Abs. 2 und Art. 105 Abs. 3 BGG).
2. Streitig und zu prüfen ist, ob dem Beschwerdeführer aufgrund der am 27. Januar 2005 und 22. August 2006 erlittenen Unfälle über den 15. August 2008 hinaus ein Anspruch auf Leistungen der Unfallversicherung zusteht.
3. Das kantonale Gericht hat im angefochtenen Entscheid den für einen Leistungsanspruch erforderlichen natürlichen Kausalzusammenhang zwischen Unfall und eingetretenem Schaden (Krankheit, Invalidität, Tod; <ref-ruling> E. 3.1 S. 181 mit Hinweisen) zutreffend umschrieben. Ebenfalls richtig dargelegt hat es die Rechtsprechung über den zusätzlich zum natürlichen erforderlichen adäquaten Kausalzusammenhang. Danach spielt im Sozialversicherungsrecht die Adäquanz als rechtliche Eingrenzung der sich aus dem natürlichen Kausalzusammenhang ergebenden Haftung des Unfallversicherers bei organisch objektiv ausgewiesenen Unfallfolgen praktisch keine Rolle, weil sich hier die adäquate weitgehend mit der natürlichen Kausalität deckt (<ref-ruling> E. 2.1 S. 112, 127 V 102 E. 5b/bb S. 103 mit Hinweisen). Objektivierbar sind Untersuchungsergebnisse, die reproduzierbar und von der Person des Untersuchenden und den Angaben des Patienten unabhängig sind. Von organisch objektiv ausgewiesenen Unfallfolgen kann somit erst dann gesprochen werden, wenn die erhobenen Befunde mit apparativen/bildgebenden Abklärungen bestätigt wurden und die dabei angewendeten Untersuchungsmethoden wissenschaftlich anerkannt sind (SVR 2010 UV Nr. 30 S. 120 E. 5.3, 8C_537/2009). Anders verhält es sich bei natürlich unfallkausalen, aber organisch nicht objektiv ausgewiesenen Beschwerden. Hier ist bei der Beurteilung der Adäquanz vom augenfälligen Geschehensablauf auszugehen, und es sind je nach Schweregrad des Unfalles weitere unfallbezogene Kriterien mit einzubeziehen (<ref-ruling> E. 6 S. 366 ff. und 369 E. 4 S. 382 ff., 115 V 133 E. 6 S. 138 ff.). Bei nach einem Unfall auftretenden psychischen Fehlentwicklungen werden diese Adäquanzkriterien unter Ausschluss psychischer Aspekte geprüft (<ref-ruling> E. 6c/aa S. 140), während bei Schleudertraumen (<ref-ruling> E. 6a S. 367) und äquivalenten Verletzungen der Halswirbelsäule (SVR 1995 UV Nr. 23 S. 67 E. 2, U 183/93) sowie bei Schädel-Hirntraumen (<ref-ruling> E. 4b S. 383) auf eine Differenzierung zwischen physischen und psychischen Komponenten verzichtet wird. Dies, weil für die Beurteilung des adäquaten Kausalzusammenhanges als einer Rechtsfrage nicht entscheidend ist, ob die im Anschluss an eine solche Verletzung auftretenden Beschwerden medizinisch eher als organischer und/oder psychischer Natur bezeichnet werden, zumal diese Differenzierung angesichts des komplexen, vielschichtigen Beschwerdebildes in heiklen Fällen gelegentlich grosse Schwierigkeiten bereiten würde (<ref-ruling> E. 6.2.1 S. 116 f.; vgl. zum Ganzen auch <ref-ruling> E. 5b/bb S. 103 und SVR 2007 UV Nr. 8 S. 27 E. 2, U 277/04, je mit Hinweisen). Korrekt sind schliesslich auch die vorinstanzlichen Ausführungen zu den Grundsätzen, welche bei der beweismässigen Auswertung medizinischer Berichte zu beachten sind (<ref-ruling> E. 5.1 S. 232 mit Hinweis). Darauf wird verwiesen.
4. 4.1 Gemäss <ref-law> und der dazu ergangenen Rechtsprechung hat der Unfallversicherer den Fall (unter Einstellung von Heilbehandlung und Taggeld sowie Prüfung des Anspruchs auf eine Invalidenrente und eine Integritätsentschädigung) abzuschliessen, wenn von der Fortsetzung der ärztlichen Behandlung keine namhafte Besserung des Gesundheitszustandes des Versicherten mehr erwartet werden kann und allfällige Eingliederungsmassnahmen der Invalidenversicherung abgeschlossen sind (<ref-ruling> E. 4.1 S. 114 mit Hinweisen). Ob eine namhafte Besserung noch möglich ist, bestimmt sich insbesondere nach Massgabe der zu erwartenden Steigerung oder Wiederherstellung der Arbeitsfähigkeit, soweit diese unfallbedingt beeinträchtigt ist. Dabei verdeutlicht die Verwendung des Begriffes "namhaft" durch den Gesetzgeber, dass die durch weitere Heilbehandlung zu erwartende Besserung ins Gewicht fallen muss. Unbedeutende Verbesserungen genügen nicht (<ref-ruling> E. 4.3 S. 115).
4.2 Der Beschwerdeführer musste sich infolge des Unfalls vom 22. August 2006 einer dorsalen Aufrichtespondylodese Th6 bis Th11 mit Beckenkammspongiosaentnahme dorsal links unterziehen. In der Nachkontrolle vom 20. Februar 2007 konnte Dr. med. L._, Oberarzt, Spital S._, ein "sehr schönes radiologisches Ergebnis" mit regelrechter Implantatlage ohne Lockerungszeichen oder Materialversagen feststellen. Ein Jahr nach der Operation könne allenfalls eine Metallentfernung in Betracht gezogen werden, welche allerdings "nicht sehr viel" zu einer Besserung der Situation beitragen werde. Trotz bildgebender Untersuchungen wurden keine Anzeichen für ein weiteres organisches Substrat gefunden, welches die übrigen vom Versicherten beklagten Leiden hätte erklären können. Gestützt auf die medizinische Aktenlage steht demzufolge mit dem erforderlichen Beweisgrad der überwiegenden Wahrscheinlichkeit fest, dass spätestens im Zeitpunkt des strittigen Fallabschlusses durch die Fortsetzung der ärztlichen Behandlung keine namhafte Besserung der Rückenproblematik mehr erreicht werden konnte. Diesbezüglich waren von zusätzlichen Abklärungsmassnahmen keine neuen entscheidwesentlichen Erkenntnisse zu erwarten, weshalb Verwaltung und Vorinstanz insoweit - ohne den Anspruch des Versicherten auf rechtliches Gehör zu verletzen - zu Recht auf die Abnahme weiterer Beweise verzichtet haben (antizipierte Beweiswürdigung; <ref-ruling> E. 5.3 S. 236; <ref-ruling> E. 5.3 S. 148; <ref-ruling> E. 4b S. 94). Es lässt sich demgemäss nicht beanstanden, dass die SUVA den Fall mit Verfügung vom 31. Juli 2008 in Bezug auf vorübergehende Leistungen per 15. August 2008 abgeschlossen und einen Anspruch auf Rente und Integritätsentschädigung geprüft hat.
5. 5.1 Im Rahmen der Abklärung eines Renten- und Integritätsentschädigungsanspruchs wird im Einspracheentscheid der SUVA vom 17. Juli 2009 eine Adäquanzprüfung nach Massgabe der in <ref-ruling> festgelegten Kriterien durchgeführt. Die Vorinstanz äussert sich zur Richtigkeit dieses Vorgehens nicht abschliessend, da sie einen rechtserheblichen Kausalzusammenhang zwischen den persistierenden Beschwerden und den Unfallereignissen vom 27. Januar 2005 und 22. August 2006 selbst unter Anwendung der Schleudertraumapraxis gemäss <ref-ruling> verneint. Nicht entscheidend ist für das kantonale Gericht demgemäss auch, ob ein natürlicher Kausalzusammenhang zu bejahen wäre.
5.2 Der Beschwerdeführer lässt dagegen zu Recht einwenden, sowohl Verwaltung als auch kantonales Gericht hätten übersehen, dass durchaus ein unfallbedingter organischer Befund bestehe, welcher sich auf die Arbeitsfähigkeit auswirke. Die Vorinstanz weist zwar zutreffend auf das gute Rückenoperationsergebnis hin. Dennoch wird der Versicherte unfallbedingt nicht mehr in seine bisherige Tätigkeit als Bauarbeiter zurückkehren können. Für körperlich schwere Tätigkeiten besteht bleibend eine 100%ige Arbeitsunfähigkeit. Hingegen wird bereits im Austrittsbericht der Klinik B._ vom 16. Februar 2007 wieder eine körperlich leichte bis mittelschwere Tätigkeit als ganztags zumutbar erachtet, sofern sie in Wechselbelastung ausgeführt werden kann und namentlich nicht über Kopfhöhe oder länger dauernd mit stark vorgeneigtem oder verdrehtem Oberkörper gearbeitet werden muss. Mit Bezug auf die natürlich kausale, objektiv ausgewiesene Rückenverletzung lässt sich der adäquate Kausalzusammenhang nicht verneinen (vgl. E. 3 hiervor). Schon allein wegen des Rückenleidens hätte daher ein Einkommensvergleich durchgeführt werden müssen, um zu prüfen, ob der Versicherte unfallbedingt in rentenbegründendem Ausmass (<ref-law>) invalid ist. Ungeklärt ist zudem, ob der Beschwerdeführer aufgrund der Rückenproblematik eine Integritätseinbusse erleidet. Im Rahmen der demgemäss zusätzlich erforderlichen medizinischen Erhebungen wird sich auch herausstellen, ob die ätiologisch unklaren Beeinträchtigungen des Gesundheitszustandes, welche vom Beschwerdeführer geltend gemacht werden, in einem natürlichen Kausalzusammenhang mit dem Unfall vom 27. Januar 2005 und/oder vom 22. August 2006 stehen, und ob sie die Arbeitsfähigkeit überhaupt einschränken. Nur wenn dies zutrifft, wird bezüglich dieser Leiden eine Adäquanzbeurteilung, je bezogen auf die Ereignisse vom 27. Januar 2005 und 22. August 2006, notwendig sein.
Mit heutigem Datum weist das Bundesgericht im Übrigen im invalidenversicherungsrechtlichen Verfahren eine Beschwerde des Versicherten gegen den Entscheid des Verwaltungsgerichts des Kantons Thurgau vom 19. Januar 2011 ab, mit welcher die Durchführung beruflicher Massnahmen und die Zusprechung einer unbefristeten ganzen Rente beantragt wurde (Urteil 8C_215/2011). Die IV-Stelle holte im invalidenversicherungsrechtlichen Verfahren umfangreiche medizinische Stellungnahmen, darunter auch die polydisziplinäre Expertise des Instituts Y._ vom 15. September 2009, ein.
Die unfallversicherungsrechtliche Angelegenheit geht mit Blick auf die ungeklärten Fragen an die SUVA zurück, damit sie, nach Beizug der Akten der Invalidenversicherung und gestützt auf das Ergebnis allenfalls notwendiger zusätzlicher Abklärungen, über den Renten- und Integritätsentschädigungsanspruch neu verfüge.
6. Das Verfahren ist kostenpflichtig (<ref-law>). Die Rückweisung der Sache an die SUVA zu neuem Entscheid mit noch offenem Ausgang gilt hinsichtlich der Verfahrenskosten als volles Obsiegen des Versicherten, weshalb die Beschwerdegegnerin als unterliegende Partei die Gerichtskosten zu tragen und dem anwaltlich vertretenen Beschwerdeführer überdies eine Parteientschädigung zu entrichten hat (Art. 66 Abs. 1, Art. 68 Abs. 2 BGG; <ref-ruling>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird teilweise gutgeheissen. Der Entscheid des Verwaltungsgerichts des Kantons Thurgau vom 14. Juli 2010 und der Einspracheentscheid der SUVA vom 17. Juli 2009 werden aufgehoben. Die Sache wird an die SUVA zurückgewiesen, damit sie, nach erfolgter Abklärung im Sinne der Erwägungen, über den Leistungsanspruch des Beschwerdeführers ab 16. August 2008 neu verfüge. Im Übrigen wird die Beschwerde abgewiesen.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 750.- werden der Beschwerdegegnerin auferlegt.
3. Die Beschwerdegegnerin hat den Beschwerdeführer für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 2800.- zu entschädigen.
4. Die Sache wird zur Neuverlegung der Parteientschädigung des vorangegangenen Verfahrens an das Verwaltungsgericht des Kantons Thurgau zurückgewiesen.
5. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Verwaltungsgericht des Kantons Thurgau und dem Bundesamt für Gesundheit schriftlich mitgeteilt.
Luzern, 4. Juli 2011
Im Namen der I. sozialrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Ursprung Berger Götz