Em sua carreira de 34 anos, Thelmo Fernandes destacou-se em diversas produções nacionais. Atuou no longa Ainda estou aqui, de Walter Salles, vencedor do Oscar 2025 de Melhor Filme Internacional, interpretando Lino Machado. No filme Sob pressão, de Andrucha Waddington, deu vida ao Capitão Botelho, papel que lhe rendeu uma indicação ao Prêmio Redentor de Melhor Ator Coadjuvante no Festival do Rio de 2016. Além dessas produções, trabalhou com Andrucha Waddington em Vitória, ao lado de Fernanda Montenegro, Chacrinha, o velho guerreiro e na série Ângela Diniz, o crime da Praia dos Ossos. Seu repertório cinematográfico inclui participações em Feliz Natal, de Selton Mello; Tropa de Elite, de José Padilha; Divórcio, de Pedro Amorim; A divisão, de Vicente Amorim; Abraço de mãe, de Cristian Ponce; e Eike: Tudo ou Nada, de Dida Andrade e Andradina Azevedo. Na televisão, interpretou papéis de destaque em séries como Fim (Globoplay), de Andrucha Waddington e Daniela Thomas, na qual viveu Álvaro, Todo dia a mesma noite (Netflix), de Julia Rezende e Carol Minnen, no papel de Pedro Leal, e Arcanjo Renegado, atuando como Bispo Cristóvão.
