Denis Thomalla del Heidenheim è sceso in campo nella maggior parte delle partite del club in Bundesliga nel 2023/2024, avendo collezionato 21 presenze, per un totale di 430 minuti. É partito titolare in 3 presenze su 34 giornate ed è stato utilizzato frequentemente come subentrato, in 18 occasioni.
Thomalla ha collezionato la sua ultima presenza il 18 maggio, con l'Heidenheim: una vittoria per 4-1 contro il Colonia, in cui ha giocato solo 3 minuti.
Nella passata stagione di 2. Bundesliga Thomalla è sceso in campo in 31 partite con l'Heidenheim, gare in cui ha segnato 8 gol e fornito 5 assist vincenti.
L'attaccante è passato a giocare in prestito con l'Heidenheim nel gennaio 2016. In precedenza giocava per il Lech Poznan, per cui ha collezionato 13 presenze in campionato, dopo aver raggiunto il club nel luglio 2015, mentre prima giocava per l'RB Lipsia.
Il 21 agosto 2010 Thomalla ha debuttato in Bundesliga con l'Hoffenheim, all'età di 18 anni e 5 giorni, contro il Werder Brema. La prima presenza con la sua attuale squadra, l'Heidenheim, in Bundesliga è stata nella sfida contro il Wolfsburg il 19 agosto 2023.