Josef Thenen wurde am 21. August 1866 in eine jüdische Kaufmannsfamilie in Galati im heutigen Rumänien geboren. Er hatte zwei Geschwister: Carolina und Adolf. Nach dem Besuch des Leopoldstädters Communal-Real- und Obergymnasiums studierte er ab 1884 Medizin an der Universität Wien. 1890 erfolgte seine Promotion. Josef Thenen war in erster Ehe mit der aus Nachod/Böhmen stammenden Hermine Doctor verheiratet; die Ehe blieb kinderlos. Nach der Scheidung ehelichte er 1893 die in Galatz geborene Isabella "Bella-Charlotte" Rottenberg; auch diese Ehe sollte kinderlos bleiben. Thenen vertiefte seine Ausbildung zunächst als Sekundararzt am Allgemeinen Krankenhaus in Wien an den Kliniken von Hermann Nothnagel und Friedrich Schauta und führte eine Reihe von experimentellen Arbeiten am pathologischen Laboratorium von Samuel von Basch aus. Josef Thenen gehörte dem Internationalen Komitee für das ärztliche Fortbildungswesen an und erwarb sich große Verdienste um die Einführung von Weiterbildungsmaßnahmen in Wien und Niederösterreich, wie etwa Spezialkurse für den Umgang mit Cholera- und TuberkulosepatientInnen. Als Erster schlug er die Verabreichung von Adrenalin zur Schockbekämpfung vor (1905), eine Therapie, die heute noch Anwendung findet. Darüber hinaus gilt Thenen als Erfinder des katalytischen Sauerstoffbads. Thenens Engagement bezüglich der Haftpflichtversicherung für Ärzte führte 1910 zur Gründung der Unfall- und Haftpflichtversicherungs-Aktiengesellschaft Kosmos mit ihm als Präsidenten des Verwaltungsrates. 1920 erfolgte seine Ernennung zum Obermedizinalrat, 1923 jene zum Mitglied des Obersten Sanitätsrates. Von 1920 bis 1936 fungierte Josef Thenen als Präsident der Wiener Ärztekammer. 1928 wurde er Hofrat sowie Bundesausschussmitglied der Österreichischen Gesellschaft vom Roten Kreuz. Während all dieser Jahre betrieb er in seiner Wohnung in Wien 9., Ferstelgasse 1, eine Praxis als Internist. Nach eigenen Angaben praktizierte Thenen im März 1938 "faktisch nicht mehr".

Aufgrund ihrer jüdischen Herkunft sahen sich Josef und Isabella Thenen nach dem "Anschluss" mit den rassistischen Verfolgungsmaßnahmen des NS-Regimes konfrontiert. Am 1. August 1939 schrieb Josef Thenen der Direktion der Städtischen Sammlungen Wien, dass ihm "in Durchführung der Judengesetze die seit 46 Jahren innegehabte Wohnung aufgekündigt" worden sei und er deshalb keinen Raum mehr für die Gipsgruppe von Viktor Tilgner Gladiator und besiegter Sklave habe, die er dem Museum daher "als Geschenk" anbot. Thenen erhielt dafür einen "Anerkennungsbetrag" von 100 Reichsmark. Am 16. Oktober 1939 meldete sich das Ehepaar Josef und Isabella Thenen nach beider Geburtsland Rumänien ab. Isabella Thenen starb am 1. Juli 1942, Josef Thenen am 15. Jänner 1949 in Braila. Thenens geschiedene erste Frau Hermine Doctor kam am 23. September 1942 ums Leben, wahrscheinlich während der Verschleppung vom KZ Theresienstadt in das Vernichtungslager Maly Trostinec. Das Wien Museum restituierte die Gipsplastik im März 2012 an einen Rechtsnachfolger nach Josef Thenen.