Er war Student am Mozarteum und besuchte Meisterkurse bei Nathan Milstein und Max Rostal. Sein Debüt gab er mit 16 an den Salzburger Festspielen. 1994 gründete Zehetmair das nach ihm benannte Streichquartett, mit dem er einige CDs einspielte für ECM. Als Solist hat er den grössten Teil des traditionellen Violinrepertoires aufgenommen, die Violinkonzerte und Sinfonien von Brahms, Schumann, Strawinsky, Sibelius, Gál und Mendelssohn. Mit dem Orchestre de Chambre de Paris realisierte er zwei Alben mit französischen Komponisten. Zu den jüngst erschienenen Aufnahmen gehören Zimmermanns Violinkonzert mit dem WDR Sinfonieorchester Köln unter Heinz Holligers Leitung (Diapason d’Or de l’Année 2009) die 24 Paganini-Capricen (Bestenliste-Preis der deutschen Schallplattenkritik 2009, Midem Classic Award 2010) sowie Elgars Violinkonzert mit dem Hallé Orchestra (Gramophone Award 2010). Des Weiteren ist bei ECM die Einspielung Manto and Madrigals erschienen, auf der Thomas Zehetmair mit seiner Ehefrau und Duo-Partnerin Ruth Killius eine Reise durch das moderne und zeitgenössische Repertoire für Violine und Viola unternimmt. Seit 2002 hat Zehetmair den Posten des Chefdirigenten der Northern Sinfonia in England inne. Seine vielfältige Karriere wurde noch bereichert durch verschiedene ihm gewidmete und von ihm uraufgeführte Kompositionen. Ausserdem wurde ihm die Ehrendoktorwürde der Hochschule für Musik Franz Liszt in Weimar und der Newcastle University, England, verliehen.
