Γεννήθηκε το 1940 στο Πειραιά και μεγάλωσε χωρίς την παρουσία του πατέρα, ο οποίος ήταν Κομμουνιστής αγωνιστής της ΕΑΜικης Αντίστασης και είχε βιώσει την εξορία. Ο Θύμιος σπούδασε υποκριτική στο Θέατρο Τέχνης του Καρόλου Κουν.
Μετά τη θρυλική παράσταση των "Όρνιθων" το 1959 και την απαγόρευση της από την τότε κυβέρνηση, ο μεγάλος Θεατράνθρωπος Κάρολος Κουν το ανεβάζει για δεύτερη φορά το 1960, με νέα διανομή και φυσικά με τη συμμετοχή του σπουδαστή Θύμιου. Ο νεαρός ηθοποιός εντυπωσιάζει το θεατρόφιλο κοινό και στα χρόνια που ακολουθούν η κάθε εμφάνιση του αποτελεί θεατρικό γεγονός.
Από το 1973 ξεκινά συνεργασία με το Εθνικό Θέατρο και πέντε χρόνια αργότερα δημιουργεί τη Νέα Ελληνική Σκηνή με την οποία θα γνωρίσει πραγματικούς θριάμβους. Ως γνήσιος ηθοποιός του θεάτρου έκανε ελάχιστες εμφανίσεις στον κινηματογράφο ξεκινώντας το 1967 με την ταινία του Κώστα Καραγιάννη "Το πιο λαμπρό Αστέρι", δίπλα στην Αλίκη Βουγιουκλάκη. Θα ακολουθήσουν τα φιλμ: "Η Χαρτορίχτρα", "Μπουμ Ταρατατζούμ", "Η Γυναικοκρατία", "Οι Νταντάδες" και "Καραβάν Σαράϊ".
Με την Αλίκη Βουγιουκλάκη, στην πρώτη κινηματογραφική του εμφάνιση στο "Πιο λαμπρό Αστέρι" (1967). Το 1975 ο Θύμιος Καρακατσάνης συμμετέχει στο δίσκο του Γιάννη Λογοθέτη "Τραγούδια με νόημα". Το άλμπουμ περιέχει ρετρό μουσικές των χρόνων του 50, με τραγούδια που τα χαρακτηρίζει το χιούμορ. Εκτός από το Θύμιο συμμετέχουν ο Γιάννης Γκιωνάκης, ο Τάκης Μηλιάδης και η σπουδαία τραγουδίστρια του ελαφρού τραγουδιού στα χρόνια του μεσοπολέμου Κάκια Μένδρη. Ο δίσκος 33 στροφών κυκλοφόρησε από την Columbia, το 1975 και από τότε δεν επανεκδόθηκε ποτέ.