Мотта 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 бо́льшую 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 Мотта перешёл в итальянский клуб «Дженоа» как свободный агент

Победитель Лиги чемпионов УЕФА (2006)
Чемпион Испании (2005, 2006)
Обладатель Суперкубка Испании (2005, 2006)