Il nativo di Tubinga, vicino a Stoccarda, si è formato in Germania. Formatosi con l'FC Schalke 04, a cui si è unito nel 2012, ha giocato oltre cento partite nelle squadre giovanili e, come capitano, ha vinto il campionato tedesco U19 nel 2015. Giocatore versatile, capace di giocare in tutte le posizioni difensive, Thilo Kehrer è diventato un elemento essenziale della squadra dello Schalke. Sostituito in una difesa a tre durante la stagione 2017-2018, ha contribuito in modo determinante, insieme a Breel Embolo, al secondo posto del club in Bundesliga in questa stagione. Grazie alle sue buone prestazioni oltre il Reno, Thilo Kehrer ha attirato l'attenzione del Paris Saint-Germain, che lo ha ingaggiato nel 2018 sotto la guida di Thomas Tuchel. Con il Paris, il difensore di 1,86 m ha scoperto la Champions League. In tutto, ha preso parte a una ventina di partite europee. Con il club della capitale, Thilo Kehrer ha giocato 128 partite e ha vinto tre volte il campionato di Ligue 1 (2019, 2020 e 2022), due volte la Coppa di Francia (2020 e 2021), una volta la Coppa di Lega (2020) e il Trofeo dei Campioni nel 2019. Dopo quattro anni con il club parigino, nell'estate del 2022 ha raggiunto il West Ham e la Premier League. Thilo Kehrer ha partecipato alla storica stagione degli Hammers, vincendo la UEFA Europa League a spese della Fiorentina. Il difensore ha giocato 27 partite per la Germania ed è stato incluso nella rosa tedesca per i Mondiali del 2022 in Qatar. Passato in prestito all'AS Monaco dal club inglese nel mercato invernale 2023-2024, il tedesco ha giocato 18 partite per i biancorossi e ha deciso di continuare la sua avventura nel Principato fino al 2028. Al termine della stagione 2024-2025 ha collezionato 40 presenze, segnando 5 gol e fornendo 1 assist.