Nach seinem Gesangsstudium bei Ulf Bästlein, Berthold Schmid, Guido Baehr und Wolfgang Millgramm an der Essener Folkwang-Hochschule, wo er 2007 sein Konzertexamen mit Auszeichnung ablegte, war der Bassbariton Thilo Dahlmann Mitglied des Internationalen Opernstudios des Zürcher Opernhauses. Wichtige Impulse erhielt er dort durch den Bariton Roland Hermann. Meisterkurse bei Charles Spencer, Michael Volle und Rudolf Piernay vervollständigten ebenso seinen künstlerischen Werdegang, wie die Zusammenarbeit mit Carol Meyer-Bruetting.

Beim Landesgesangswettbewerb Nordrhein-Westfalen wurde er mit dem ersten Preis ausgezeichnet. 2013 wurde ihm der Liedpreis des Kultusministeriums Schleswig-Holstein sowie der Nikolaus Bruhns-Sängerpreis verliehen.

Am Opernhaus Zürich sang er zahlreiche kleinere Partien unter Dirigenten wie Franz Welser-Möst, Nello Santi und Philippe Jordan. Gastverträge führten ihn zudem an die Deutsche Oper am Rhein Düsseldorf, die Wuppertaler Bühnen und das Theater Koblenz. Seine szenische Interpretation des Liederzyklus „Notturno“ von Othmar Schoeck am Theater Sankt Gallen fand bei Publikum und Kritik ein breites und begeistertes Echo. In das Concertgebouw Amsterdam führten ihn konzertante Aufführungen von Mozarts „Don Giovanni“, „Parsifal“ von Richard Wagner sowie Schrekers "Die Gezeichneten".

Vor allem ist Thilo Dahlmann jedoch als Konzert- und Liedsänger tätig. Reicht sein Repertoire von frühbarocker Vokalmusik bis zu zahlreichen Uraufführungen, so liegt der Schwerpunkt seines Repertoires bei Bach, Händel und den großen romantischen Oratorienpartien. Diese führten ihn unter Dirigenten wie Thomas Hengelbrock, Pieter Jan Leusink, Michael Alexander Willens, Jaap van Zweden, Christophe Rousset, Daniel Reuss, Frieder Bernius, Peter Neumann, Richard Mailänder, Hansjörg Albrecht, Christophe Rousset. Masaaki Suzuki, Christoph und Andreas Spering in Konzerthäuser wie der Pariser, Kölner und Essener Philharmonie, der Tonhalle Zürich, dem  Concertgebouw Amsterdam und dem Festspielhaus Baden-Baden.

Ein breit gefächertes Liedrepertoire sang er mit Pianisten wie Hedayet Djeddikar, Götz Payer, Ulrich Rademacher, Charles Spencer und Doriana Tchakarowa. 

Er war Gast bei der Folle Journée in Nantes, Bilbao und Tokio, den Händelfestspielen Halle, den Gluck-Festspielen Nürnberg, dem Leipziger Bachfest, beim Schleswig-Holstein Musikfestival, dem Osterfestival Aix-en-Provence und den Salzburger Festspielen sowie beim Eröffnungskonzert der Elbphilharmonie Hamburg.

Rundfunk- (WDR; hr, SWR, NDR, France Musique, NHK, MDR)- und Fernsehaufnahmen (Arte, ZDF, Mezzo-TV) ergänzen seine künstlerische Tätigkeit ebenso wie CD- und DVD-Aufnahmen (Carus, cpo, querstand, DECCA). Begleitet von Charles Spencer nahm er eine Solo-Debüt CD mit Schubert Liedern auf, die vom Wiener Label Capriccio veröffentlicht wurde. Zuletzt erschien beim niederländischen Label Challenge eine viel beachtete CD von Thilo Dahlmann gemeinsam mit dem Pianisten Hedayet Djeddikar, auf der sie Lieder von Johannes Brahms und Norbert Glanzberg eingespielt haben. 

Neben seiner künstlerischen Tätigkeit ist Thilo Dahlmann Professor für Gesang an der Hochschule für Musik und Darstellende Kunst Stuttgart und unterrichtete an den Musikhochschulen Köln, Frankfurt und Graz.