Thibaut Courtois ble født i en liten by i Belgia, kalt Bree. Han startet å spille som venstreback, men i 1999 når han sluttet seg til Racing Genk i en alder av syv år, ble han omskolert til målvakt. Courtois gikk gradene i klubben, og fikk sin debut for a-laget i en alder av 16 år i 2009. Sesongen etter fikk han tilbud fra Hoffenheim i Tyskland, men han valgte å bli i Genk og ble belønnet med plassen som førstekeeper. Der gjorde han sakene sine meget bra og i 2011 undertegnet belgieren en femårskontrakt med Chelsea.
Få uker etter overgangen til Chelsea ble han sendt ut på lån til Real Madrids arge rivaler, Atlético Madrid, for å erstatte David de Gea som hadde signert for Manchester United. Lånet hans varte i tre år, og i løpet av de årene vant han LaLiga, Copa del Rey og nådde Champions League-finalen med Los Rojiblancos. Under hans tid som Atlético Madrid-spiller pådro belgieren seg også sitt første røde kort i karriere, og dette fikk han etter å ha felt Karim Benzema i El Derbi Madrileño 26. november 2011.
I juni 2014 bestemte Jose Mourinho seg for å hente han tilbake til Chelsea, og denne gangen ble han ikke sendt ut på lån. Etter returen til Premier League stabiliserte Courtois seg som en av verdens aller beste keepere. I 2016/17-sesongen vant belgieren gullhansken for sesongens beste keeper i Premier League. Fire gode sesonger i Chelsea resulterte i to Premier League-titler, en FA Cup-tittel og en Ligacup-tittel med storklubben fra London.
Før VM i Russland begynte Courtois å flørte med Real Madrid. Han uttalte ved flere anledninger at han savnet familien sin som bor i Madrid, og at han ønsket seg en retur til den spanske hovedstaden. Etter storspill i VM der han ble kåret til mesterskapets beste målvakt, fikk han ønsket sitt oppfylt. 8.august 2018 ble det offisielt bekreftet at belgieren har undertegnet en seksårs-kontrakt med Los Blancos.