Una de las razas más misteriosas de la galaxia, pues ciertamente se sabe bastante poco sobre ellos. Físicamente estos seres extraordinarios tienen forma cilíndrica y aplanada, con un extremo inferior afilado y una estructura poliédrica ensanchada en la parte superior del cuerpo. Esta estructura, que los científicos de la Federación llaman cápsula cefálica, está separada del resto del cuerpo por un estrechamiento, que tiene en su parte delantera dos ranuras luminiscentes que albergan, presumiblemente, sus órganos visuales. Se sabe que se desplazan en la densa atmósfera de Tholia I expulsando chorros controlados de ciertos gases corporales a través de varios orificios y pueden soportar temperaturas de hasta 300 grados centígrados; pero, aparte de lo mencionado, hay muy poca información sobre sus características físicas. Su sociedad está rígidamente jerarquizada y es del tipo colmena, algo similar al colectivo Borg. Se sospecha que cada individuo se halla genéticamente programado para realizar una tarea determinada en la misma. Los científicos de la Federación han identificado tres configuraciones corporales básicas, en relación a la función social que ha de llevar a cabo cada tholiano: dirigente, constructor y guerrero. Pero es muy posible que existan muchas más.

Los tholianos poseen un marcado sentido de la territorialidad, por lo que han de extremarse las precauciones al tratar con ellos, sobre todo si se accede a su espacio.

Sus sistemas de armamento son también muy eficaces y ciertamente peculiares. Aunque presumiblemente poseen phasers y torpedos fotónicos, su arma principal es una red de hilos de energía, generada por sus naves y con la que envuelven los navíos enemigos, inutilizando sus sistemas energéticos si éstos no logran zafarse a tiempo.