Entre à l’Ecole des beaux-arts en 1860 dans les ateliers de Picot, Cabanel et Gleyre. Il obtient le second grand prix de Rome en 1864. Sa carrière est centrée sur la peinture d’histoire et de décoration. Au Salon de 1867, il présente un grand tableau illustrant Persée vainqueur de Méduse et expose au Salon de1876 son œuvre la plus célèbre, Jeanne d’Arc écoutant ses voix. Il participe dans les années 1870 aux décors peints de l’Opéra de Paris, puis en 1880, il remporte le concours pour le décor du plafond de l’escalier d’honneur de la mairie du 12e arrondissement de Paris. Vers 1893, il peint la figure de L’Histoire pour le salon des Lettres du nouvel hôtel de ville de Paris.

Par ailleurs, amoureux de la nature, il a laissé de très belles peintures de paysages de France, d’Espagne, d’Italie et d’Afrique du nord. Il a aussi réalisé de magnifiques portraits de sa famille et de bien d’autres.

Eugène Thirion repose au cimetière de Montigny-sur-Loing.