Thorstein Fretheim var utdannet veterinær og arbeidet som dyrlege i store deler av sitt liv, men er først og fremst kjent som leder i skogeiersamvirket i mellomkrigstiden og landbruksminister i det okkuperte Norge 1940–45.
Fretheim vokste opp i Hamar, Fjell ved Bergen og Drammen. På Drammens latinskole gikk han i samme klasse som Vidkun Quisling og tok examen artium 1905. Samme år drog Fretheim til København for å studere veterinærfag og tok eksamen ved Den kongelige Veterinærhøsjkole 1910. 1911–29 drev han privat dyrlegepraksis i Drammen og Fluberg, til dels sammen med sin fetter og stefar, dyrlege G. Brekke. 1929–40 var han distriktsveterinær i Land. 1939 ble han formann i Den Norske Veterinærforening – et verv han beholdt frem til frigjøringen 1945.
Sammen med sin kone overtok Fretheim hennes farsgård Nerby i Fluberg 1916. Fretheim var svært hesteinteressert; han hadde i perioder opptil 30 travhester og var styremedlem i Det Norske Travselskap. Han representerte Bondepartiet i herredstyret i Fluberg 1917–29 og var varaordfører i seks år. I 1920-årene ble han formann i Flubergs tømmersalgsforening. Det ble hans springbrett inn mot viktigere verv.
Da skogeiersamvirket omkring 1930 ble reorganisert, stod Drammensdistriktets skogeierforening sentralt gjennom sin sterke vekst. Fretheim var formann der 1928–45. 1930 ble han nestformann og 1937 formann i Norges Skogeierforbund. I den egenskap forhandlet han frem den første hovedavtalen mellom kjøpere og selgere av massevirke 1938. I februar 1940 inngikk Skogeierforbundet og staten en avtale om vedleveranser. Det var den første nasjonale pris- og leveringsavtale i skogbruket, og den gav også skogeiersamvirket monopol på vedomsetningen.
I begynnelsen av 1930-årene var Fretheim en viktig motstander av skogsarbeidernes fagorganisering og gav aktiv støtte til streikebryterorganisasjoner som Arbeidets Frihet og Skogdrift. Under den langvarige Randsfjord-konflikten hadde han en viss kontakt med Quisling.
Fretheim takket ja til Quislings tilbud om å bli landbruksminister i det kommissariske statsråd 25. september 1940, men ble først medlem av Nasjonal Samling (NS) i mai 1941 for å opprettholde sin innflytelse. Fretheim var med under tyskernes avsettelse av Johan E. Mellbye som Bondelagets formann i mars 1941. Han deltok også aktivt i nazifiseringen av Småbrukerlaget høsten 1941, men motarbeidet med suksess nazifisering i de øvrige landbruksorganisasjonene og i Veterinærforeningen. Nazifiseringen av landbruksforvaltningen og landbruksskolene fikk et moderat omfang.
Fretheim la som landbruksminister, som leder av Norges Bondelag/Bondesamband fra november 1941 og som riksleder i NS' Bondegrupper fra 1942 stor vekt på å beskytte og skjerme jord- og skogbruksinteressenes stilling både i forhold til tyskerne og mer radikale ideologiske krefter i NS. I motsetning til aktivistene i NS, med Steinar Klevar i spissen, ønsket Fretheim at Norges Bondesamband, som skulle omfatte alle personer og organisasjoner med tilknytning til landbruket, skulle bygge på bøndenes faglige og økonomiske organisasjoner og ikke Bondelauget i NS. Fretheim mente Landbruksdepartementet og landbruket måtte styres ut fra faglige kriterier og overprøvde sjelden embetsverkets avgjørelser.
Fretheim gikk av som formann i Skogeierforbundet da han ble statsråd, men forble en viktig støttespiller for forbundet. Høsten 1941 bestemte han at skogeiersamvirket skulle få monopol på all tømmeromsetning. Selv om forbudet ble opphevet etter frigjøringen, bidrog det til en varig styrking av forbundet markedsmessig og politisk. Fretheim støttet også skogbruksforvaltningens systematiske trenering av tyskernes krav om tømmerleveranser. Strategien ble utformet av skogdirektør Karenus Sørhuus (se NBL1, bd. 16), som var Fretheims fremste departementale støttespiller. Strategiens suksess førte til at Fretheim ble avsatt som landbruksminister 21. april 1945.
Under landssvikoppgjøret etter den annen verdenskrig ble Fretheim dømt til 20 års tvangsarbeid, samt inndragning og bot på 248 000 kr. Høysterett erkjente likevel at han som statsråd hadde vært “til nytte for landet” gjennom sitt arbeid. Fretheim ble benådet 1951 og gjenopptok sin veterinærpraksis 1952.