Thilo Hirsch studierte an der Schola Cantorum Basiliensis (SCB) Viola da gamba bei Christophe Coin (Diplom 1995, Diplomarbeit: Das "cantar alla viola" im 16. Jahrhundert) und Gesang bei R. Levitt und Kurt Widmer. Als Solist wurde er schon von zahlreichen internationalen Ensembles für Konzerte, CD- und Rundfunkaufnahmen verpflichtet. Seine Konzertreisen und Tourneen führten ihn durch ganz Europa, nach Nordafrika, Nord- und Südamerika und nach Japan. Seit 1991 ist er künstlerischer Leiter des ensemble arcimboldo, mit welchem er auch schon an zahlreichen Konzerten, Rundfunkaufnahmen und CD-Produktionen teilgenommen hat. 1996 gründete er das Theaterensemble TEATRO ARCIMBOLDO.

Sein Interesse für seltene Streichinstrumente führte dazu, dass sich Thilo Hirsch der Erforschung des Tromba marina-Spiels widmete. Er ist nun einer der wenigen Experten für dieses aussergewöhnliche, im Barock weit verbreitete Instrument. Neben der Alten Musik arbeitet Thilo Hirsch auch regelmässig mit zeitgenössischen Komponisten zusammen, an die er, in seiner Funktion als Leiter des ensemble arcimboldo, Kompositionsaufträge vergab: Michael Bürgin: Reise nach Ettingen (2005), Abril Padilla: Der müde Tod (2007), Radiophonie (2011), La Piazza (2013), resonance-box (2015), Hans-Jürg Meier: herbst/ abtasten (2011), Erik Oña: DO-UT-DES (2012), Jason Rosenberg: Cacofono del Mercato (2013), Charlotte Torres: A tra-verres (2015).

Thilo Hirschs Interesse an historischer Aufführungspraxis, im Besonderen an der Schnittstelle zwischen musikwissenschaftlicher Theorie und instrumentaler Praxis, führte dazu, dass er schon an mehreren Forschungsprojekten beteiligt war, die eine Rekonstruktion von historischen Instrumenten in Verbindung mit ihrem Repertoire beinhalteten. Von 2007 bis 2009 war er Co-Projektleiter eines Nationalfonds-Forschungsprojekts der SCB zum Thema: "La Grande Écurie – Erforschung und Rekonstruktion der Instrumente und ihres Repertoires am Hof Ludwigs XIV. und XV. Danach forschte er in einem Projekt der SCB über die Transformation der Streichinstrumente im frühen 16. Jahrhundert (BBT/SNF-Projekt 2011-2015). Die 'klingenden' Resultate wurden jeweils mit Konzerten und einer CD des ensemble arcimboldo dokumentiert. Seit 2015 arbeitet Thilo Hirsch an der nachweisorientierten Rekonstruktion einer spanischen Renaissance-Vihuela d'arco und ihrer Spieltechnik.