Aspirant très tôt au métier de comédien, Thierry Neuvic s'inscrit au cours Florent et au Conservatoire de la rue Blanche à Paris. Il fait ses premiers pas au théâtre, avant d'entamer une carrière sur le petit écran devant la caméra d'Arnaud Selignac : il apparaît pour la première fois à la télévision, dans la mini-série La femme de la forêt en 1996 et l'année suivante, il donne la réplique à Bernard Giraudeau et Mathilde Seigner dans le téléfilm Si je t'oublie Sarajevo. Mausolée pour une garce en 2001, où il joue aux côtés de Francis Huster et de Sylvie Vartan, marque sa troisième collaboration avec le réalisateur.

Après s'être fait un nom à la télévision, il décroche son premier rôle au cinéma en 2000 dans Code inconnu de Michael Haneke où il a pour partenaire Juliette Binoche. Après une apparition dans la comédie Dieu est grand, je suis toute petite (2001), il se fait remarquer dans les séries à succès Joséphine, ange gardien, Alice Nevers, le juge est une femme et interprète le personnage récurrent de Gilles dans Clara Sheller aux côtés de Mélanie Doutey. Grâce à son allure de grand brun ténébreux, les comédies destinées à un public féminin lui font les yeux doux: il n'a cependant pas Tout pour plaire (2005) en homme d'affaires débordé et irritable, et fait des infidélités à sa compagne Florence (Anne Parillaud), mais se rattrape dans Comme t'y es belle ! (2006) de Lisa Azuelos où il a pour partenaire Michèle Laroque.

Il fait un retour remarqué sur petit écran en frère de la chef de la mafia corse (Hélène Fillières) dans l'une des séries événement de Canal +, Mafiosa. Mais sa carrière au cinéma n'est pas en reste: il est ainsi à l'affiche du thriller haletant Ne le dis à personne du très prometteur Guillaume Canet qui remporte neuf César en 2007, du film autobiographique Stella (2008), dans lequel une adolescente d'origine modeste est confrontée à la vie dans un grand lycée parisien, et du mystérieux Ne te retourne pas (2009) où son charme ténébreux est allié au glamour de Sophie Marceau et de Monica Bellucci.

En 2010, Thierry Neuvic incarne un père absent auprès d'une épouse et d'une mère désemparée (Lio) dans Un poison violent, le premier film de Katell Quillévéré. Actif, le comédien enchaîne avec le fantastique Derrière les murs suivi de la comédie Les Papas du dimanche où il joue un père de trois enfants trompé par sa femme. Parallèlement, l'acteur obtient des seconds rôles dans des films américains, à l'image de Au-delà et Sherlock Holmes 2 : Jeu d'ombres. Après avoir joué un corse viril dans la comédie Les Francis, un chef policier dans L’ Affaire SK1 et Antigang, il est choisi pour rejoindre le casting de la suite de Belle et Sébastien qui sort fin 2015.