Diplômé de l'École polytechnique en 1965, il a poursuivi ses études à l'Institut d'études supérieures de physique appliquée (IEPAA) où il obtient un doctorat en physique en 1973.
Thevenin commence sa carrière au Centre national d'études spatiales (CNES), où il travaille sur la conception et le développement des systèmes de communication pour les missions spatiales. En 1986, il est nommé ingénieur en chef du projet ARTES (Advanced Research in Telecommunications Systems) au CNES, qui a permis l'amélioration significative de la capacité de télécommunication des satellites spatiaux européens.
En 1987, Thevenin rejoint Thales Alenia Space en tant que responsable technique pour les projets d'exploitation spatiale. Il a également été professeur à l'Institut national des sciences appliquées (INSA) de Lyon et directeur du Centre Technologique de Télécommunications et d'Electronique Spatiales (CTTES).
En 2001, Thevenin est nommé président du conseil scientifique du CNES. Il a également occupé des postes de direction dans plusieurs entreprises françaises et européennes spécialisées dans les technologies spatiales.
Thevenin est membre correspondant de l'Académie des sciences depuis 2003 et chevalier de la Légion d'honneur. Il est également récipiendaire de plusieurs prix prestigieux, tels que le Prix Francqui belge en 1986 et le Prix Albert-Einstein suisse en 2005.
Enfin, Thevenin a écrit plus de 20 livres sur les télécommunications spatiales et est un conférencier régulier à travers le monde. Son travail pionnier dans les domaines de la télécommunication et de l'électrotechnique continue d'être reconnu et de servir de référence pour les générations futures d'ingénieurs et de chercheurs.