En 2004, Carré a réalisé son premier long métrage, *La Môme*, un film biographique sur la chanteuse Édith Piaf qui a connu un grand succès critique et public. Le film a reçu de nombreuses nominations et a remporté plusieurs prix prestigieux, y compris quatre Césars, le plus important des récompenses cinématographiques françaises.
En 2010, Carré a réalisé *Le Dernier Pourcentage*, un film dramatique inspiré de l'histoire vraie d'un groupe de spécialistes militaires franco-allemands qui ont été capturés lors de l'opération Tempête du Desert en 1942 et qui ont réussi à s'échapper après plus de deux ans de prison. Le film a reçu des critiques positives et a été nommé pour plusieurs Césars, y compris le César du meilleur réalisateur.
En 2016, Carré a réalisé *Rock'n Roll*, un film dramatique sur la vie de Sammy Davis Jr., une icône du monde de l'entertainment américain. Le film a connu un succès modéré aux États-Unis et a reçu des critiques mitigées, mais a été bien accueilli par les fans de Sammy Davis Jr.
En 2019, Carré a réalisé *Les Misérables*, un remake du célèbre film franco-suisse de Robert Hossein sorti en 1978. Le film, qui raconte l'histoire d'un ancien prisonnier condamné pour vol qui cherche à récupérer sa dignité et faire justice dans une société injuste, a reçu des critiques généralement positives et a été nommé pour plusieurs Césars.
Thierry Carré est également connu pour son activisme en faveur de la défense des droits des animaux. Il a produit plusieurs films documentaires sur l'exploitation animale, dont *Le Sang des bêtes* (2013) et *Terre de nulle part* (2015). Il est également président de l'association française Animals International.