Nach einer kaufmännischen Lehre arbeitet Otto Thielemann als Korrespondent und veröffentlicht literarische Werke. Den Zielen der Sozialdemokratie verpflichtet, arbeitet er ab Beginn der 1920er-Jahre bei parteinahen Zeitungen als Redakteur, zuletzt in Braunschweig als Chefredakteur des „Volksfreund“. Im Reichsbanner wird er in den Vorstand des Gaus Braunschweig gewählt. Bei zahlreichen Veranstaltungen der Organisation tritt er als Redner auf und übernimmt 1928 auch die Redaktion der Beilage für den Gau Braunschweig der Zeitung „Das Reichsbanner“. 1924 erlangt er ein Mandat in den Braunschweigischen Landtag.

Der Freistaat Braunschweig gilt als Hochburg der NSDAP. Er ist das erste Land im Deutschen Reich, in dem die NSDAP ab 1930 dauerhaft an der Regierung beteiligt ist. Thielemann beteiligt sich im Landtag intensiv an den öffentlichen Debatten vor und nach der Ernennung Hitlers zum Regierungsrat im Freistaat Braunschweig im Februar 1932, mit der dieser die deutsche Staatsbürgerschaft erhält und als Kandidat zur bevorstehenden Reichspräsidentenwahl zugelassen werden kann.

Im Zug der Machtübernahme der NSDAP wird Thielemann im Mai 1933 in „Schutzhaft“ genommen. Ein Jahr später verurteilt ihn ein Braunschweiger Sondergericht zu drei Jahren Haft wegen Vergehens gegen die Verordnung „zur Abwehr heimtückischer Angriffe gegen die Regierung der nationalen Erhebung“. Nach Verbüßung der Haft bringt die Gestapo ihn in das Konzentrationslager Dachau. Dort stirbt Otto Thielemann, vermutlich in Folge von Misshandlungen durch die Wachmannschaft.