Markus Thalheimer wurde 1987 in Stuttgart geboren und erhielt dort seinen ersten Harfenunterricht bereits mit sechs Jahren. 17-jährig wechselte er im Rahmen der Frühförderung als Gaststudent zu Prof. Gisèle Herbet an die Hochschule für Musik Würzburg.
Ab dem Vordiplom im Jahr 2008 war er bis zum Abschluss seiner Ausbildung Stipendiat der Konrad-Adenauer-Stiftung. Im selben Jahr begann zudem seine Förderung durch den YEHUDI MENUHIN Live Music Now Franken e.V. 2011 legte er sein Diplom „mit Auszeichnung“ ab.
Sein anschließendes Studium in der Meisterklasse bei Herbet schloss er Ende 2013 ab. Mit Beginn der Meisterklasse gründete Thalheimer ein Duo mit der Sopranistin Rebekka Fries, mit der er bei Holger Berndsen in der Liedklasse der Musikhochschule Würzburg studierte. Gemeinsam wurden sie im Frühjahr 2013 in das Stipendiatenprogramm des YEHUDI MENUHIN Live Music Now Franken e.V. aufgenommen.
Weiterführende Impulse erhielt der Harfenist im Rahmen von Meisterkursen bei Prof. Godelieve Schrama (Detmold) und Prof. Marie-Pierre Langlamet (Berlin) sowie als Erasmus–Stipendiat bei Prof. Frédérique Cambreling (San Sebastian/ Spanien).
Mit 16 Jahren spielte er als Mitglied im Landesjugendorchester Baden-Württemberg. 2005 wurde er 1. Bundespreisträger bei „Jugend musiziert“, Harfe Solo, mit der Höchstpunktzahl. Mit 19 Jahren debütierte er mit den Konzerten von Händel und Pierné bei den Bochumer Symphonikern im Rahmen des Marler Debüts. Seit 2008 gehört er zur Jungen Deutschen Philharmonie. Zur Spielzeit 2014/2015 wird er in die Giuseppe-Sinopoli-Akademie der Staatskapelle Dresden aufgenommen.
Förderpreise erhielt Thalheimer 2003 und 2004 von der Sudetendeutschen Landsmannschaft und dem Arbeitskreis Egerländer Kulturschaffender. Er war 2010 Teilnehmer der Lucerne Festival Academy und 2013 Preisträger bei den Internationalen Lyon & Healy Awards in Cardiff. Im März 2014 wurde er mit dem 2.Preis des Internationalen Dutch Harp Competition ausgezeichnet.
Zahlreiche Solo- und Orchesterauftritte führten den jungen Harfenisten durch Deutschland, nach Frankreich, Italien, Ägypten und in die Tschechische Republik.
Seit 2009 unterrichtet er an der Musikschule Unterer Neckar e.V.