Thienemann dedicó sus investigaciones a la migración de las aves, un tema importante en ornitología que continúa sin haberse comprendido en la actualidad.
Entre otras introdujo el anillamiento sistemático de aves como una técnica básica para la investigación del comportamiento migratorio.
Fue conocido popularmente como "Vogelprofessor" (profesor-pájaro) y estableció en 1901 la primera estación de investigación ornitológica del mundo en Rossiten, Prusia Oriental (en la actualidad, Rybachy, Rusia).
Esta estación ornitológica, que todavía existe, alcanzó notable prestigio a través de las publicaciones e informes realizados allí por notables científicos.
A consecuencia de la Segunda Guerra Mundial fue cerrada en 1944 aunque en 1956 fue vuelta a poner en funcionamiento por parte de investigadores soviéticos.