Né en 1974, il sort diplômé du lycée à Berlin puis termine son service militaire dans un mouvement international de jeunes basé à Auschwitz (Pologne). Il est assistant à la mise en scène au "Berliner ensemble" de 1997 à 1998. Résidant plus tard en Pologne, il commence à s'intéresser à la culture de l'Europe de l'Est, et en particulier à son cinéma.

Depuis 1999 il publie le magazine de la culture de l'Europe Centrale et Orientale, « Plotki », et en 2000 il publie son premier livre, « Asche Oder Diamant » ? (Histoires polonaises dans le film de Andrzej Wajda). Sa passion pour les films le conduit la même année à entamer des études de réalisation à l'école de cinéma et de télévision Konrad Wolf de Potsdam. Elève de Rosa von Praunheim, qui le suit lorsqu'il réalise le court métrage « Three percent », un projet pour Arte et l'ORB en 2001; puis les courts métrages  « Zeit ist leben » encore en 2001, « Granica » en 2002 et enfin « ICH » en 2003.

Entre 2000 et 2006, Robert Thalheim fait des études de réalisation à l'Ecole supérieure du Cinéma et de la Télévision Konrad Wolf de Potsdam Babelsberg. En 2003, il écrit et met en scène la pièce « Wild Boys » au Maxim Gorki Theatre Berlin Réalisé en 2004, « Tout ira bien » (Netto) constitue son premier long métrage dramatique et en même temps la confirmation de son talent pour le monde du cinéma.

Il se confirme dans le monde du cinéma avec le lancement de son nouveau film réalisé en 2007 « Et puis les Touristes » (Am Ende kommen Touristen), un regard inspiré par ses années de service civil passées à Auschwitz en Pologne. Le film est présenté au festival de Cannes en sélection officiel dans la catégorie « Un certain regard » il a également gagné le prix du Film au Festival du Film court d'Angoulême.