Les Tholiens ont approximativement la même taille que les Humains. Ils disposent d'une carapace dure, de nature minérale essentiellement et dont les couleurs sont de tons rougeâtre. Leurs six jambes fines articulées leur permettent de se mouvoir rapidement dans n'importe quelle direction. Ces jambes sont rattachées à la base du torse de manière symétrique. Leurs deux bras articulés sont similaires à ceux des espèces humanoïdes, plusieurs doigts se situent à l'extrémité de leurs mains. Ils n'ont pas de cous.

Au fil des confrontations avec la Fédération, le comportement Tholien fut principalement décrit comme xénophobe, agressif et territorial. Ils se déploient rarement loin de leur système et annexent fréquemment les systèmes proches de l'Assemblée pour isoler davantage leur territoire. Les Tholiens sont également renommés pour leur ponctualité.

Le gouvernement de la race Tholienne est l'Assemblée Tholienne. Vers la moitié du 22e siècle, le Haut Commandement Vulcain avait seulement un contact limité avec l'Assemblée. Il était par contre inconnu à cette époque qu'ils étaient impliqués dans la Guerre froide temporelle.