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 Barbara Schlick vervollständigten ebenso seinen künstlerische Werdegang, wie die Zusammenarbeit mit Konrad Jarnot und 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“ und „Parsifal“ von Richard Wagner.
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, Michael Alexander Willens, Jaap van Zweden, Daniel Reuss, Frieder Bernius, Peter Neumann, Richard Mailänder, Christoph und Andreas Spering, Masaaki Suzuki in Konzerthäuser wie der Kölner und Essener Philharmonie, der Tonhalle Zürich, dem Concertgebouw Amsterdam und dem Festspielhaus Baden-Baden.
Er war Gast bei der Folle Journée in Nantes, Bilbao und Tokio, den Händelfestspielen Halle, den Gluck-Festspielen Nürnberg, dem Leipziger Bachfest sowie beim Schleswig-Holstein Musikfestival und den Salzburger Festspielen.
Rundfunk- (WDR; hr, SWR, France Musique, NHK, MDR)- und Fernsehaufnahmen (Arte, ZDF) ergänzen seine künstlerische Tätigkeit ebenso wie CD- und DVD-Aufnahmen (Carus, cpo, querstand, DECCA). Zuletzt erschien eine Solo-Debüt CD mit Schubert Liedern, begleitet von Charles Spencer am Klavier.
Neben seiner künstlerischen Tätigkeit unterrichtet Thilo Dahlmann Gesang an der Hochschule für Musik und Darstellende Kunst Frankfurt am Main.