Som Nasjonalgalleriets første direktør 1908–41 satte Jens Thiis sterkt preg på museet og norsk kulturliv. Særlig hans innsats for å øke museets samlinger av fransk kunst og arbeider av Edvard Munch bør fremheves. Thiis var også en stor formidler av kunsthistorie til alle lag av befolkningen.
Fordi foreldrenes ekteskap ble oppløst, vokste Jens Thiis opp hos sin mors foreldre, gullsmed H. P. Löwegren og hustru i Kristiania. Han bodde hos dem frem til han hadde avlagt examen artium på Aars og Voss' skole 1888.
Thiis var elev ved Den kgl. Tegneskole under Christen Brun og Wilhelm Holter og hadde som mål først å bli kunstner. Han bestemte seg likevel for å studere kunsthistorie, og Lorentz Dietrichson ble hans lærer og mentor. Allerede som student ble Thiis bibliotekar ved det nyopprettede Kunstindustrimuseet i Kristiania og amanuensis ved Skulpturmuseet. I studiedagene var han en aktiv deltaker i Studentersamfundet i hovedstaden, og blant hans nærmeste omgangsvenner finner vi Sigbjørn Obstfelder og Vilhelm Krag. Da Krags dikt Fandango ble fremført for første gang, var det Thiis som leste det i Studentersamfundet. Thiis var dessuten Samfundets representant ved åpningen av det nye Sorbonne i Paris. Dette var hans første møte med “kunstens Mekka” og begynnelsen på hans store begeistring for fransk kunst.
I årene 1890–92 foretok Thiis en lang studiereise til Danmark, Tyskland, Italia, Frankrike, Belgia og Nederland. Under reisen oppsøkte han ikke bare kunstsamlinger, men også læresteder, bl.a. lærte han mye av møtene med Julius Lange og Emil Hannover i København. Vinteren 1893 tilbrakte han i Berlin, hvor han traff Edvard Munch for første gang. Under oppholdet i Berlin omgikkes han kretsen omkring vertshuset “Zum schwarzen Ferkel”, som i tillegg til Munch bestod av bl.a. Obstfelder og August Strindberg. Under studiereisene livnærte Thiis seg delvis ved å skrive kunstanmeldelser for Verdens Gang.
Nordenfjeldske Kunstindustrimuseum i Trondheim ble opprettet 1893, og Thiis etterfulgte Hans Aall i sjefsstolen der 1895. Hans arbeid ved museet bestod bl.a. i å organisere en ny, fast samling i ny museumsbygning samt innsamling av gjenstander. I tillegg hadde han anledning til å foreta en del reiser for videre utdanning innen kunsthistorie. I løpet av sine år i Trondheim utviste Thiis også et utstrakt engasjement i folkeopplysningens tjeneste, og han holdt en rekke foredrag. Dette videreførte han gjennom hele sitt yrkesaktive liv. Han var også meget engasjert i arbeidet med gjenreisingen av Nidarosdomen.
Sommeren 1908 ble Thiis utnevnt til direktør for Statens Kunstmuseum (fra 1920 Nasjonalgalleriet), en stilling han innehadde til 1941. Hans innsats for Nasjonalgalleriet var av stor betydning for museet. Han fikk til avtaler med potensielle givere, slik at museet ble sikret viktige kunstverk. Det var også i hans tid at Nasjonalgalleriets bygning ble utvidet med Nordfløyen, som i dag huser bl.a. Nasjonalgalleriets Venners gaver og Christian Langaards gave.
Thiis var også en omstridt person, og det beste eksempelet på dette er nok den berømmelige “Hodestriden”, som gikk i pressen og i rettssalene 1924–25. Professor og billedhugger Wilhelm Rasmussen hadde trukket i tvil ektheten av to gotiske hoder Thiis hadde kjøpt inn til Nasjonalgalleriet. Thiis vant rettssaken, men enkelte av hans uttalelser i kampens hete ble mortifisert.
Som ung student hadde Thiis stor interesse for italiensk renessansekunst, men hans begeistring for den franske kunsten fra siste halvdel av 1800-tallet er lettere å spore i Nasjonalgalleriets samlinger. Gjennom bl.a. Venneforeningen sørget Thiis for at museet fikk en svært representativ samling fransk kunst fra denne perioden, med navn som Edgar Degas, Edouard Manet, Pablo Picasso og Berthe Morisot. Også Thiis' bokverk Fransk ånd og kunst reflekterer hans interesse og kunnskap om den franske kunsten.
Etter et mer enn 40 år langt ekteskap mistet Thiis sin elskede Ragna 1939, og etter hvert begynte også hans egen helse å skrante for alvor. Han døde sommeren 1942.
Jens Thiis ble utnevnt til ridder av 1. klasse av St. Olavs Orden 1911 og til kommandør med stjerne 1937. Han var også innehaver av en lang rekke utenlandske ordener, bl.a. den franske Æreslegion og den svenske Nordstjärneorden og Vasaorden. Han var medlem av Det Norske Videnskaps-Akademi i Oslo og av flere utenlandske kunst- og vitenskapsakademier.