Thomas Dieltjens begon op 8-jarige leeftijd piano te studeren o.l.v. Marijke Oers in Leuven. Aan het Koninklijk Conservatorium van Brussel behaalde hij in 1991 het ‘hoger diploma piano’ o.l.v. Jean Brouwers en André De Groote en het ‘hoger diploma kamermuziek’ in de klas van Florent Van De Vondel en Arie Van Lysebeth. Nadien vervolmaakte hij zich bij Hans Leygraf op de Internationale Sommerakademie aan het Mozarteum te Salzburg en aan de Hochschule der Künste te Berlijn bij R. Becker. Verder volgde hij nog masterclasses bij A.R. El Bacha, J.C. Vanden Eynden, E. Moguilevsky, P. Hirshhorn, W. Meyer, P. Eötvös en B. Kuijken.
In de loop van zijn opleiding werd Thomas Dieltjens laureaat van verschillende pianowedstrijden, o.a. de J.S. Bachwedstrijd en Pro Civitate in 1987, de S. De Jonghewedstrijd in 1988, de prijs B. Diongre in 1990 en de prijs E. Durlet alsook de Tenuto-wedstrijd van de BRTN in 1991.

Thomas Dieltjens treedt op als solist, in pianorecitals en als chambrist. Als solist werkte hij samen met het Collegium Instrumentale Brugense, het Nationaal Orkest van België, het BRTN Filharmonisch Orkest, het Groot Harmonieorkest der Gidsen en verscheidene jeugdorkesten. Hij werkte samen met dirigenten als P. Peire, F. Heyerick, N. Nozy, R. Casteels, F. Devreese e.a.
Hij verzorgde pianorecitals onder meer in de Blauwe Zaal van deSingel (Antwerpen), de Concertzaal van het Koninklijk Conservatorium Brussel, de Sint-Pietersabdij te Gent (Internationaal Chopinfestival), de Rode Pomp in Gent en in vele culturele centra. In het voorjaar 1997 debuteerde hij in het Paleis voor Schone Kunsten te Brussel en de Stadsschouwburg te Antwerpen met het Vlaams Radio-orkest o.l.v. Davis Abell (USA).

Sedert 1998 is Thomas Dieltjens pianist en artistiek leider van ensemble Het Collectief. Na een lange reeks succesvolle concerten in binnen-en buitenland verwierf deze groep in 2003 internationale faam met zijn Schönberguitvoeringen (CD Fuga Libera 504). Daarnaast vormt hij vaste duo’s met zijn broer Benjamin (CD Explicit!01008) en met fluitist Toon Fret (CD Explicit!98002) en wordt hij regelmatig uitgenodigd door ensembles als Oxalys, Danel Strijkkwartet, de European Camerata, en andere. Met deze ensembles speelde hij op tal van festivals, o.m. Ars Musica, het Festival van Vlaanderen, het Schleswig-Holstein Festival en de Europäische Kammermusikakademie (Mecklenburg-Vorpommern).

Thomas Dieltjens is leraar piano aan het Stedelijk Conservatorium van Leuven. Sinds oktober 1992 is hij ook leraar kamermuziek en begeleider van de klas van I. Oistrach aan het Koninklijk Conservatorium te Brussel.