Wie kaum ein anderer versteht es Thomas Zehetmair, seine facettenreichen musikalischen Vorlieben miteinander zu verbinden. Er genießt als Dirigent, Solist, in Doppelfunktion und auch als Kammermusiker weltweit größtes Ansehen.
Als Solist bzw. Dirigent gastierte er mit Orchestern wie dem London Philharmonic Orchestra, Hallé Orchestra Manchester, Scottish Chamber Orchestra, Seattle Symphony, Detroit Symphony, Seoul Philharmonic Orchestra, Swedish Chamber Orchestra, Rotterdam Philharmonic, Orchestra of the Eighteenth Century, Budapest Festival Orchestra, den Hamburger Philharmonikern, dem Mozarteumorchester und dem Orquesta Sinfónica de Castilla y León.
Seit der Saison 2019/20 ist Thomas Zehetmair Chefdirigent des Stuttgarter Kammerorchesters und mit der Saison 2020/21 übernahm er diese Funktion auch beim Orchestre national Auvergne-Rhône-Alpes. Seit Mai 2022 ist Zehetmair ebenfalls Chefdirigent des Irish Chamber Orchestra.
Zwischen 2012 und 2015 hatte er diese Position beim Orchestre de chambre de Paris inne sowie zwischen 2016 und 2021 beim Musikkollegium Winterthur. Von 2002 bis 2014 stand Zehetmair der Royal Northern Sinfonia vor und entwickelte sie zu einem der führenden Orchester Englands. Als Conductor laureate ist er dem Orchester weiterhin eng verbunden. Die äußerst erfolgreiche Zusammenarbeit ist durch eine Reihe von Einspielungen dokumentiert. 2023 erschien das mit Ruth Killius eingespielte Doppelkonzert »That Subtle Knot« von Casken in Kombination mit Beethovens Sinfonie Nr. 5 und Bartóks Violakonzert.
Thomas Zehetmair hat einen Großteil des Violinrepertoires eingespielt und zahlreiche seiner Veröffentlichungen wurden vielfach ausgezeichnet. Zu diesen Aufnahmen gehören unter anderem B. A. Zimmermanns Violinkonzert mit dem WDR Sinfonieorchester unter Heinz Holliger (Diapason d’Or de l’Année 2009), die 24 Paganini-Capricen (Bestenliste Preis der deutschen Schallplattenkritik 2009, Midem Classic Award 2010), eine Einspielung von Elgars Violinkonzert mit dem Hallé Orchestra Manchester unter Sir Mark Elder (Gramophone Award 2010) sowie von Mozarts Violinkonzerten mit dem Orchestra of the Eighteenth Century unter Frans Brüggen, die als Referenzaufnahme bezeichnet wird. Neuere Aufnahmen umfassen die vier Brahms-Sinfonien und Bruckners Sinfonie Nr. 3 mit dem Musikkollegium Winterthur sowie Bachs sechs Solo-Sonaten und -Partiten. Mit dem Stuttgarter Kammerorchester veröffentlichte er mehrere Alben auf dem orchestereigenen Label mit Werken von Mozart, Schubert und Brahms über Bartók und Schönberg bis hin zu Adams.
Des Weiteren erschien 2011 bei ECM die Einspielung »Manto and Madrigals« mit seiner Duo-Partnerin Ruth Killius, auf der zeitgenössische Werke für Violine und Viola zu hören sind.
Zehetmair ist Gründungsmitglied des Zehetmair Quartetts, mit dem er 2014 für herausragende musikalische Leistungen mit dem Paul-Hindemith-Preis der Stadt Hanau ausgezeichnet wurde.
2023 wurde seine Eigenkomposition für Streichtrio »Passacaglia, Burleske und Meditation« in der Schweiz uraufgeführt. Daneben gibt es auch Bearbeitungen und Fertigstellungen von Thomas Zehetmair, wie beispielsweise seine Rekonstruktion des ersten Satzes des Fragments von Mozarts Sinfonia Concertante A-Dur KV 320e.
Für seine vielfältige künstlerische Tätigkeit erhielt Thomas Zehetmair unter anderem die Ehrenurkunde des Preises der deutschen Schallplattenkritik sowie den Karl-Böhm-Interpretationspreis des Landes Steiermark. Thomas Zehetmair ist Ehrendoktor der Hochschule für Musik Franz Liszt in Weimar und der Newcastle University.