Thalamy Bernard a étudié la physique au lycée Louis-le-Grand à Paris avant de poursuivre des études supérieures en mathématiques à l'École normale supérieure. Il a obtenu son doctorat en neurosciences à l'université Harvard en 1987, où il a travaillé avec Daniel J. Wegner sur la théorie du contrôle automatique.
Après avoir obtenu son diplôme, Thalamy Bernard est retourné en France et a travaillé à l'Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM). En 1989, il a été nommé professeur assistant à l'université Stanford. De 1996 à 2007, il a occupé le poste de professeur agrégé à l'université Yale, et depuis 2007, il est professeur titulaire au département de neurosciences de l'université Columbia.
Les recherches de Thalamy Bernard portent principalement sur la fonctionnement des réseaux neuronaux dans le cerveau humain et animal, en particulier dans les domaines de la perception visuelle et de la cognition. Il a publié de nombreux articles scientifiques et a écrit plusieurs livres à destination du grand public.
Thalamy Bernard est également connu pour ses contributions aux débats sur l'intelligence artificielle, l'ethique et les implications de la recherche en neurosciences. Il a travaillé avec de nombreuses institutions gouvernementales et privées pour promouvoir les progrès dans le domaine de la recherche sur la cerveau.
En 2016, Thalamy Bernard a reçu le prix Turing, l'un des plus hauts honneurs en informatique, pour ses contributions aux recherches sur les réseaux neuronaux et la cognition artificielle. Il est également membre de l'Académie nationale des sciences des États-Unis.