Fue un adelantado a su tiempo en el terreno de la química orgánica.
Después de la propuesta de Kekulé para la estructura del benceno (1865), Thiele predijo la resonancia de la molécula en 1899, y propuso una estructura resonante, usando un círculo escrito en línea discontinua para representar los enlaces parciales.
Junto con Otto Holzinger sintetizó un núcleo iminodibencilo (dos anillos de benceno unidos por un átomo de nitrógeno y un puente etileno).
Estableció la teoría de las valencias parciales y desarrolló la síntesis de la glioxal bis(guanilhidrazona).
Thiele fue profesor de Heinrich Otto Wieland, que fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1927.