Thomsen var en mångsidig språkvetenskapsman som behandlade problem i finsk-ugriska, germanska och baltiska språk, latin, romansk språkhistoria, äldre och nyare språk i Mindre Asien och etruskiska. En av hans insatser var tolkningen av den turkiska inskriften från 700-talet e.Kr. vid floden Orchon i Mongoliet.