Thibaut Desmettre effectue ses études de médecine à Lille, et se spécialise en pneumologie et médecine intensive. Également titulaire d’un Master en management médical de l’ESCP-Paris et d’un diplôme universitaire de pédagogie médicale, il obtient aussi un Diplôme d’études approfondies en génie biologique et médical et un PhD de l’Université de Lille. Il exerce au CHU de Fort de France en Martinique avant de prendre la tête, en 2000, du Service de réanimation du Centre hospitalier général de Béthune (Pas de Calais). En 2003, il est nommé médecin-chef des urgences de l’Hôpital de Besançon. En 2012, il obtient une habilitation à diriger des recherches et est nommé Professeur des Universités à l’Université de Franche Comté en 2013, en réanimation médicale et médecine d’urgence. De 2019 à 2023, il se voit confier le mandat de chef du pôle urgences, SAMU, réanimation médicale du CHU de Besançon (équivalent à la fonction de Chef de Département). Son mandat le conduit à fédérer les services d’urgences de Franche-Comté avec la création d’un collège de médecine d’urgence et contribue à installer les grandes filières de soins.

Sur le plan de la recherche, il travaille notamment sur le pneumothorax spontané, l’insuffisance respiratoire aiguë du sujet âgé et l’optimisation de la réponse aux appels d’urgence. Depuis 2020, il est en outre investigateur principal de l’étude SIA-REMU, projet basé sur un système d’intelligence artificielle pour la régulation des appels d’urgence, en collaboration avec l’HEIG-VD et le CHUV. Il a également été secrétaire général et vice-président de la Société française de médecine d’urgence. En avril 2023, il est nommé professeur ordinaire au Département d'anesthésiologie, pharmacologie, soins intensifs et urgences de la Faculté de médecine de l’UNIGE et médecin-chef du Service des urgences des HUG.