Thom Willems schreibt vorwiegend Musik für Ballett. Seit 1985 arbeitet er mit dem Choreografen William Forsythe zusammen, bis 2004 im Rahmen des Ballett Frankfurt und danach bis 2015 im Rahmen der Forsythe Company. Sie haben gemeinsam mehr als fünfundsechzig Werke erarbeitet.
William Forsythe verwendete seine Musik bei der Kreation vieler Bühnenwerke, die zu den bekanntesten unserer Zeit gehören, zum Beispiel In the Middle, Somewhat Elevated (1987) und The Loss of Small Detail (1991). Weitere Schlüsselwerke sind unter anderen Impressing the Czar (1988), Limb’s Theorem (1990), A L I E / N A(C)TION (1992), Eidos:Telos (1995) One Flat Thing, reproduced (2000), Sider (2011) sowie Study #3 (2013).
Musik von Thom Willems ist in Verbindung mit Werken von William Forsythe im Repertoire praktisch aller großen Ballett-Kompanien weltweit vertreten, darunter das Mariinsky Ballet, das Bolschoi Ballet, das New York City Ballet, das San Francisco Ballet, das National Ballet of Canada, das Ballet de l’Opéra de Paris, das Corpo di ballo del Teatro alla Scala Milano, das Royal Ballet (London), das Wiener Staatsballett, das Semperoper Ballett Dresden und das Ballet de l’Opéra de Lyon. Insgesamt sind es 68 Kompanien in 26 Ländern.
William Forsythes Kurzfilm Solo mit seiner Musik wurde 1997 im Rahmen der Whitney Biennial präsentiert.
Seine Musik wird auch von Modedesignern wie Issey Miyake und Versace verwendet und wurde 2000 zur Eröffnung der Tate Modern in London aufgeführt. 2007 war Thom Willems an Tadao Andos Forschungszentrum für Design «21_21 Design Sight» in Tokyo beteiligt, 2008 an Matthew Ritchies Installation The Morning Line für die Thyssen-Bornemisza Art Contemporary.