Thor B. Kielland stod sentralt i en rik periode i norske museers historie, og han forstod å skape interesse for museumsstoff også blant de fremste kulturjournalister.
Kielland vokste opp på Ledaal i Stavanger, der faren var byfogd og moren ledende i husflidsbevegelsen. Han tok tidlig sikte på en museumskarriere og hadde fra han var 15 år gammel arbeidet på Stavanger Museum, der han kom til å stå A. W. Brøgger nær. Etter examen artium 1913 fikk han stilling som assistent ved museet, men ble snart knyttet til Norsk Folkemuseum for å arbeide med jubileumsutstillingen 1914. Han hospiterte på Statens Håndverks- og Kunstindustriskole hos Oluf Wold-Torne og var ved Kunstindustrimuseet i København hos direktør Emil Hannover, som Kielland regnet som sin viktigste læremester. En tid arbeidet han på Nordiska Museet i Stockholm.
Mens Kielland satte seg inn i de ulike fags teknikk, utførte han gjenstander i vedkommende materiale. Av hans ca. 200 gjenstander er flere bevart, til dels i Kunstindustrimuseet i Oslo (KIM). En rekke er avbildet og omtalt i KIMs årbok 1950–58. Bokbind og adresser interesserte ham sterkt. Ellers sees smykker og korpusarbeider i sølv og emalje, hele serviser i porselen, glassarbeider og et glassmaleri, foruten små trearbeider og hele møblementer. Han har også tegnet og utført arbeider i tekstil – broderier, messehagler, møbeltrekk og motetegninger.
1916 arrangerte Stavanger Museum en omfattende utstilling av gammelt sølv i Stavanger amt. Så godt som hele katalogen ble skrevet av Kielland. Etter gullsmedenes personalia blir hver enkelt gjenstand beskrevet og plassert stilhistorisk. Det er et utpreget pionerarbeid, som har fått mange etterfølgere og fremdeles er aktuelt og ettertraktet. Som konservator på Kunstindustrimuseet i Kristiania/Oslo fra 1918 fortsatte Kielland å arbeide med eldre gullsmedkunst, og sammen med Henrik Grevenor utgav han Gullsmedhaandverket i Oslo og Christiania. Samtidig stod han midt oppe i arbeidet med et stortenkt prosjekt, Norsk gullsmedkunst i middelalderen, et nybrottsarbeid som han forsvarte for doktorgraden 1927.
Da direktør Dedekam døde 1928, ble Kielland hans etterfølger ved KIM. Sjansen til å ta opp tråden fra gullsmedkunstforskningen bød seg ved Tostrups 100-årsjubileum 1932, og resulterte i den grundige og engasjerte boken Om gullsmedkunst i hundre år.
Det skulle gå nesten 10 år før Kielland tok opp et nytt større forskningsprosjekt. Avhandlingen Fem jomfruer vare vise og fem vare daarlige (1943) var en detaljstudie til et verk om vår nasjonale vevkunst, Norsk billedvev 1550–1800. Her mente Kielland å kunne påvise en ubrutt tradisjon i norsk vevkunst helt fra folkevandringstiden over Baldisholteppet og frem til omkring 1800. Hovedtesen om en sammenhengende vevtradisjon har imidlertid møtt motstand.
Gullsmedkunst og vevkunst var Kiellands spesialfelt, men en periode var han også opptatt av møbelkunst, noe som bl.a. resulterte i bøkene Fransk møbelkunst fra middelalder til nutid og Møbelkunstens historie. 1939 gav han ut boken om Paleet i Oslo og året etter avsnittet Hjemmet på Ulefos i det store verket om denne herregården.
Allerede 1918 gav Kielland et viktig bidrag til nordisk fajanses historie i avhandlingen Østerbrofabrikken 1764–69, der han som den første kunne påvise signerte gjenstander fra dette norsk-danske foretak. Han hadde personlige bånd til Egersund fajansefabrikk og bidrog bl.a. til 100-årsskriftet 1947.
Karakteristisk for Kielland som gjenstandsforsker er at han trekker inn et meget bredt og ofte overraskende materiale. Han er kunsthistorikeren som orienterer i en komplisert jungel av stilarter. Ofte er det kulturhistorikeren som kommer tydeligst frem. Hans oppvekst i familiekretsen på Ledaal gav ham spesielle forutsetninger for å skrive om f.eks. Klær og mat i det nittende århundre i Norsk kulturhistorie.
Kielland kunne fordype seg i middelalderens kunsthåndverk og samtidig propagandere for samtidens banebrytende stil. 1918 deltok han aktivt i dannelsen av Foreningen Brukskunst, og sammen med Jacob Prytz regnes han som bevegelsens skaper i Norge. I boken Den nye verdensstil følger Kielland funksjonalismens utvikling fra 1800-tallet frem til verdensutstillingen i Paris 1937. Men tross alt stod det historiske materiale ham nærmest, selv om han ville presentere det i en moderne, avansert ramme. Planene var lagt, men gjennomføringen ble forsinket av krigen. Deretter ble de realisert på en måte som vakte internasjonal oppmerksomhet, spesielt det såkalte Norske galleri.
I boken om Norske museer heter det: “Thor Kielland står blant kolleger som den fullendte type på den moderne museumsmann.” Han skapte fest gjennom en fantasifull og bevisst montasje av flere utstillinger, og han var en eminent festarrangør. Som seremonimester ved Universitetet i Oslo utstyrte han rektor, dekaner og andre involverte med høytidelige kapper i ulike farger og innførte festligere former. I sin minnetale over Kielland sa Reidar Kjellberg: “En fest med Thor Kielland var et skuespill som står og faller med hovedpersonen. Når han har forlatt scenen, vil stykket aldri kunne spilles på ny.”
Med sin sentrale posisjon ble Kielland overlesset med tillitsverv. Han var bl.a. formann i Norske Museers Landsforbund 1936–48, i Kunsthistorisk forening, i Foreningen for norsk bokkunst, i den norske seksjon av Nordisk Bibliofilselskap og president i den norske seksjon av Centro Internazionale delle Arti e del Costume.
Kiellands engasjement førte med seg en rekke hedersbevisninger. Han var medlem av Det Norske Videnskaps-Akademi og Selskapet til Vitenskapenes Fremme i Bergen, korresponderende medlem av Svenska Slöjdförengen og Landsforeningen Dansk Kunsthaandverk og æresmedlem i Foreningen Brukskunst og Norske Museers Landsforbund. Han ble utnevnt til ridder av 1. klasse av St. Olavs Orden 1952 og til kommandør 1959, og han var innehaver av en lang rekke utenlandske ordener.