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  以下證明主要使用兩個定理:  設"O"為圓心,因為"OA" = "OB" = "OC",所以△"OAB"和△"OBC"都是等腰三角形。因為等腰三角形底角相等,故有∠"OBC" = ∠"OCB",且∠"BAO" = ∠"ABO"。設"α" = ∠"BAO","β" = ∠"OBC"。在△"ABC"中,因為三角形的內角和等於180°,所以有

  泰勒斯定理也可以用三角學方法證明,證明如下:  令"O" =(0, 0), "A" =(-1, 0), "C" =(1, 0)。此時,"B"就是單位圓formula_5上的一點。我們將通過證明"AB"與"BC" 垂直,即它們的斜率之積等於–1,來證明這個定理。計算"AB"和"BC"的斜率:  並證明它們的積等於–1:  注意以上證明過程中運用了畢達哥拉斯三角恆等式formula_9。

  此證明使用兩線的向量形成直角三角形,當且僅當其內積為零。設有直角三角形"ABC",和以"AC"為直徑的圓"O"。設"O"在原點,以方便計算。則"AB"和"BC"的內積為:  故"A"和"B"與圓心等距,即"B"在圓上。

  泰勒斯定理是「同弧所對的圓周角是圓心角的一半」的一個特殊情況。  以下是泰勒斯定理的一個相關定理:

  泰勒斯並非此定理的首名發現者,古埃及人和巴比倫人一定已知這特性,可是他們沒有給出證明。
泰勒斯定理(英語:Thales' theorem)以古希臘思想家、科學家、哲學家泰勒斯的名字命名,其內容為:若"A", "B", "C"是圓周上的三點,且"AC"是該圓的直徑,那麼∠"ABC"必然為直角。或者說,直徑所對的圓周角是直角。該定理在歐幾里得《幾何原本》第三卷中被提到並證明。