Ο Θέμελης ξεκίνησε την καριέρα του στον ΠΑΟΚ ενώ πέρασε και από τις Αναγέννηση Κολινδρού, Προοδευτική, Λάρισα, Θεσπρωτό, Λεωνίδιο, Χαλκηδόνα, Ρόδο, Ηλυσιακός, Καστοριά, Ιεράπετρα και Άγιο Δημήτριο. Στην Γ΄Εθνική έχει 99 συμμετοχές.