En 2020 logró ganar su primer Grand Slam en el Abierto de EE.UU tras remontar 2 sets a Alexander Zverev en la final.

[1]​ Su mayor éxito fue llegar a la final de Roland Garros en la categoría júnior, que perdió con el americano Bjorn Fratangelo por 6–3, 3–6, 6–8.

Recibió una wildcard para jugar el ATP 250 de Kitzbühel en su natal Austria, y en su primer partido como profesional con solo 16 años, enfrentó al español Daniel Gimeno perdiendo por 4-6, 2-6 en primera ronda.

En Futures logró 34-15, con tres títulos en cuatro finales, el primero en República Checa y los dos siguientes en Marruecos, todos en tierra batida.

En este año la gente y tenistas ya se vislumbraban de que llegaba una joven promesa del tenis para el futuro.

A la semana siguiente, paso las dos rondas clasificatorias para entrar al cuadro principal del Torneo Conde de Godó.

En semifinales venció al argentino Juan Mónaco por un claro 6-3 y 6-1 para alcanzar su primera final ATP con solo 20 años.

[6]​ Thiem es considerado un tenista a tener en cuenta durante los próximos años, capaz de alcanzar el top 10 del ranking.

En Róterdam derrotó a Ernests Gulbis en la primera ronda y después cayó contra Sergui Stajovski.

[8]​ A la semana siguiente de su primer trofeo, disputó Roland Garros, el austriaco se clasificó para la segunda ronda eliminando al británico Aljaž Bedene por 6-3, 6-4, 6-7(6) y 6-3.

Comenzó su temporada de césped con una derrota contra Mischa Zverev por 7-6(4) y 6-2 en Stuttgart, confirmando que esta no es su mejor superficie.

La semana siguiente, ganó su tercer título ATP en Gstaad al derrotar en la final al principal cabeza de serie David Goffin por 7-5 y 6-2 ganando torneos consecutivos por primera vez,[12]​ quien lo había vencido hace un año en su primera final ATP en Austria, tras haber batido sucesivamente a Federico Delbonis, Pablo Carreño y Feliciano López en las semifinales.

Tras estos excelentes resultados subió varios puestos en la clasificación llegando al 18.º lugar, su mejor ranking en ese momento y por primera vez pisaba el Top 20.

A la semana siguiente pierde nuevamente en la primera ronda del Masters de Cincinnati contra Martin Kližan por 6-7(5), 6-3, 6-7(4).

En el US Open, pasó sus dos primeras rondas sin problemas contra Daniel Gimeno-Traver y Denis Istomin.

[22]​ Ya en el último Masters 1000 sobre tierra batida: Roma, venció en tres sets a Aleksandr Dolgopólov en la primera ronda por 6-3, 3-6 y 6-4.

[24]​ A la semana siguiente jugó el segundo Grand Slam del año: Roland Garros, en la primera ronda venció al español Íñigo Cervantes por 3-6, 6-2, 7-5 y 6-1.

También se convirtió en el primer jugador nacido en la década de 1990 en llegar a las semifinales en Roland Garros.

Después de la victoria en Brasil, Thiem jugó por tercera semana consecutiva un ATP 500 esta vez en Acapulco donde era el campeón defensor, como cuarto cabeza de serie, venció a los franceses Gilles Simon y Adrian Mannarino en sets corridos para avanzar a cuartos de final donde caería ante el eventual campeón Sam Querrey por 7-5 y 6-1, quien ganaría el torneo (sucediendo a Thiem como campeón).

En marzo juega los dos primeros Masters 1000 del año, en el primero en Indian Wells comenzó venciendo fácilmente al francés Jeremy Chardy 6-2, 6-4, al alemán Mischa Zverev 6-1, 6-4 y en cuarta ronda nuevamente a otro francés, el número 11 del mundo Gael Monfils por 6-3 y 6-2.

Para el segundo Grand Slam de la temporada, Roland Garros donde defendía semifinal, clasificó sin problemas a octavos de final tras eliminar sucesivamente a Bernard Tomic (6-4, 6-0, 6-2), Simone Bolelli (7-5, 6-1, 6-3) después de un segundo set muy intenso y a Steve Johnson por 6-1, 7-6(4) y 6-3, en octavos le ganó al argentino Horacio Zeballos por un claro 6-1, 6-3 y 6-1 en un partido completamente dominado por el austríaco.

[57]​ En marzo jugó los dos primeros Masters 1000 del año: en Indian Wells ganó su partido de segunda ronda contra Stefanos Tsitsipas por 6-2, 3-6 y 6-3.

[69]​ Comenzó la temporada de césped en Halle perdiendo sorpresivamente ante Yuichi Sugita en segunda ronda, su pobre temporada sobre hierba terminó con la eliminación en primera ronda contra Marcos Baghdatis en Wimbledon, se retiró cuando iba perdiendo por 4-6, 5-7 y 0-2, logrando solo 1 triunfo en césped y 2 derrotas.

En cuartos de final tuvo un partido más difícil contra el ruso Daniil Medvedev ganando por 6-2, 3-6 y 7-6(2).

[81]​ Regresó a la competición en febrero para defender su título en el ATP 250 de Buenos Aires sobre tierra batida.

En semifinales despachó al 11 veces campeón Rafael Nadal por un cómodo doble 6-4, logrando su cuarta victoria en tierra batida contra el español.

Para esta nueva confrontación, Nadal tuvo un día extra de descanso (Thiem recién ayer había terminado su partido con Djokovic).

Del 20 al 22 de septiembre, participó en la Laver Cup en Ginebra por segunda vez en su carrera con el equipo europeo.

[103]​ En su último partido de su carrera profesional, Thiem jugó contra Luciano Darderi por la primera ronda del Vienna Open, donde perdería por 6-7 2-6.

A menudo solo llega a la red para rematar puntos con una sola volea, aunque se sabe que ocasionalmente también sirve y volea, especialmente cuando juega en tierra batida y sirve desde el lado del adversario al revés de su oponente.