Мотта сыграл 2 матча за национальную сборную Бразилии на Золотом кубке КОНКАКАФ 2003. В 2011 году дебютировал в сборной Италии (по правилам ФИФА футболист имеет право 1 раз за карьеру сменить «футбольное подданство», если у него есть двойное гражданство, и он не был заигран в официальном матче за национальную сборную). На Золотом кубке КОНКАКАФ Бразилия выступала в качестве приглашённой сборной и данный турнир для Селесао не является основным континентальным соревнованием, в отличие от Кубка Америки.
Тиагу Мотта родился в Бразилии в семье, имеющей итальянские корни — его дед был итальянцем.
Он начал свою профессиональную карьеру в «Барселоне Б» в 1999 году, а в первой команде каталонского клуба дебютировал 3 октября 2001 года в матче против «Мальорки».
В Лиге чемпионов 2001/02 Мотта сыграл семь матчей и помог команде дойти до полуфинала турнира. Хотя он и демонстрировал качественную игру, конкуренция за место в центре поля не позволила ему закрепиться в основном составе. Бразилец сыграл только 13 матчей в Примере 2002/03. Однако в последних чемпионских сезонах Мотта проводил всё больше времени на футбольном поле, хотя травмы постоянно преследовали его. Тем не менее, его роль в победе «Барселоны» в Лиге чемпионов и в двух чемпионатах Испании была довольно весомой.
В июне 2007 года спортивный директор «Барселоны» Чики Бегиристайн объявил о том, что Мотта покидает клуб. В августе 2007 Мотта перешёл в «Атлетико Мадрид» за 2 млн евро. В сезоне 2007/08 Мотта сыграл за «Атлетико» всего 6 матчей, пропустив бо?льшую часть сезона из-за травм — ему сделали три операции на левой ноге за полгода. Летом 2008 года Мотта хотел перейти в английский «Портсмут», неделю находился там на просмотре и даже сыграл за этот клуб в товарищеском матче с «Сандерлендом», но в итоге «Портсмут» не стал заключать с Тиагу контракт по причине неудовлетворительного состояния здоровья игрока. В конце августа 2008 срок контракта Тиаго Мотты с «Атлетико» истёк, нового соглашения заключено не было, и игрок остался без клуба. Также был возможен вариант с переходом Мотты в греческий «Панатинаикос».
15 сентября 2008 года Мотта перешёл в итальянский клуб «Дженоа» как свободный агент.
Сезон 2009-2010 Мотта начал в составе миланского «Интера», куда он перешел вместе с партнером по «Дженоа» Диего Милито. Мотта в предсезонке забил «Ювентусу», а во втором туре чемпионата — «Милану», начав разгром принципиального соперника. Матч завершился со счётом 4:0. Позже из-за травм Мотта потерял место в основе, но постепенно вернулся в состав, конкурируя с Деяном Станковичем.
31 января 2012 года Мотта перешёл во французский клуб «Пари Сен-Жермен», подписав контракт на 3,5 года с заработной платой в 2 млн евро за сезон. Сумма трансфера составила 10 млн евро. Причём сам футболист попросил руководство клуба, чтобы его продали, хотя и не имел проблем во время выступления за «Интер»
6 февраля 2011 года Мотта был вызван Чезаре Пранделли в сборную Италии на товарищеский матч против сборной Германии.
9 февраля 2011 года дебютировал за сборную Италии в товарищеском матче против сборной Германии в Дортмунде (вышел в основном составе под номером 8, на 35-й минуте — единственный в матче — получил жёлтую карточку за фол против Сами Хедира и на 63-й минуте был заменён на Альберто Аквилани). 25 марта 2011 года в отборочном матче Евро-2012 против сборной Словении в Любляне, своёй второй игре за итальянцев, открыл счёт голам за «Скуадру адзурру», забив единственный во встрече мяч (на 73-й минуте обыгрался с Федерико Бальцаретти и ударом в дальний угол с левого угла штрафной поразил ворота Самира Хандановича).