Foi um acidente que mudou a vida de Thiago Pereira. Aos dois anos de idade ele quase se afogou na piscina de um familiar durante um encontro de família. Após o susto sua mãe, Dona Rose Vilela, o colocou na escolinha de natação. Desde então não saiu mais da piscina, tendo sido um destacado nadador nas categorias de base em Volta Redonda, sua cidade natal, até chegar a equipe do Minas Tênis Clube aos 16 anos de idade.

A partir daí tornou-se um dos melhores nadadores do mundo e um dos mais versáteis, sendo competitivo em praticamente todos os estilos e em diferentes distâncias. Em 2004 chegou a final olímpica dos 200m medley nos Jogos de Atenas e no mesmo ano foi campeão mundial em piscina curta na mesma distância em Indianápolis. Em 2007 tornou-se um ídolo do esporte nacional ao conquistar oito medalhas nos Jogos Pan-Americanos do Rio e terminar o evento como maior medalhista do país. No mesmo ano bateu o recorde mundial nos 200m medley em piscina curta durante a etapa de Berlim da Copa do Mundo.

Entre 2008 e 2011 teve grande momentos nas piscina, mas bateu na trave em subir ao pódio olímpico e em Mundiais de longa. Em Londres-2012 finalmente alcançou a glória olímpica ao sagrar-se vice-campeão nos 400m medley, numa das maiores performances de sua vida, fazendo a melhor parcial da história do nado peito até então e derrotando o gênio Michael Phelps. No ano seguinte ganhou duas medalhas de bronze no Campeonato Mundial de Barcelona-2013 nos 200m e 400m medley.

 

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Em 2015 tornou-se o maior medalhista da história dos Jogos Pan-Americanos ao chegar a 23 medalhas, um recorde que deverá perdurar por muito tempo. Devido a esse incrível currículo ganhou o apelido de Mister Pan. No mesmo ano ganhou sua última medalha em Mundiais de longa, uma prata nos 200m medley. Chegou aos Jogos Olímpicos do Rio-2016 como um dos favoritos a medalha olímpica, porém, uma arrojada estratégia lhe deixou em sétimo lugar. Após a prova revelou que arriscou tudo porque queria superar Phelps e tornar-se campeão olímpico nadando diante do público brasileiro.

No início de 2017 anunciou sua aposentadoria alegando que já tinha conseguido tudo que podia dentro da piscina e foi homenageado durante o Prêmio Brasil Olímpico do COB, honraria que venceu em 2007. Meses depois foi homenageado pela SWIM CHANNEL com um edição especial lançada em uma festa na cidade de São Paulo que contou com grandes nomes da natação brasileira.

Thiago desenvolve atualmente projetos relacionados a natação, como o Troféu e o Training Camp que leva seu nome e faz parte da comissão de atletas da Federação Internacional de Natação (FINA). Ele ainda é palestrante e foi comentarista da natação durante os Jogos Pan-Americanos de Lima-2019.