Thorleif Østereng var en sentral utøver i norsk jazzliv fra 1930-årene og utover i 1960-årene. Han var dessuten en viktig jazzformidler gjennom sitt arbeid i NRK, og etablerte NRKs storband 1964.
I barneårene studerte Østereng fiolinspill med Henrik Due, gikk senere over til cello med blant andre Karl Andersen som lærer. Til tross for manglende høyrehånd klarte han å spille ved hjelp av en protese og særegen teknikk. I korps begynte han å spille trompet, før han gikk i lære hos Håkon Buntz. Senere i livet, 1950–51, studerte han ved Berklee School of Music i Boston, USA.
Østereng ble tidlig opptatt av jazz og startet gruppen Columbia Brothers 1928 mens han gikk på middelskolen. Etter eksamen fra Oslo Handelsgymnasium 1930 ble han profesjonell musiker. I begynnelsen av 1930-årene spilte han med blant andre Svein Øvergaard og Øyvind Bergh. I de neste par tiår spilte han med tidens fremste jazz- og danseorkestre, blant annet med Kristian Haugers Radiodanseorkester 1934, Scala Danseorkester 1934–36, Willie Vieths Bristolorkester 1936–39 og Øyvind Berghs Bristolorkester 1939–43 og 1945–56. I denne tiden spilte han også inn mye filmmusikk for Norsk Film. Østereng ble med i Kringkastingsorkesteret fra starten da dette ble dannet 1946 ved en sammenslåing av Øyvind Berghs Bristolorkester og Gunnar Knudsens Ensemble. Her ble han frem til 1952.
Gjennom 1950-årene ledet han større og mindre besetninger, blant annet storband og en kvintett. I disse konstellasjonene kunne man finne mange kjente norske musikere, som saksofonistene Bjarne Nerem og Kristian Bergheim, trommeslageren Pete Brown og pianistene Egil Monn Iversen og Scott Lunde. Foruten engasjementer rundt om på Østlandet var Østerengs ensembler ofte å høre i radio. 1964 ble han leder for det nystartede radiostorbandet i NRK, som fikk navnet Thorleif Østerengs orkester. Også her var det mange kjente utøvere med, blant andre pianisten Egil Kapstad og trombonisten Frode Thingnæs. Orkesteret hadde jevnlige radioopptredener, flere direktesendt til andre land i Europa, med både dansemusikk og moderne jazzmelodier på repertoaret. Flere utenlandske solister gjestet orkesteret, deriblant saksofonisten Dexter Gordon. Senere kom Helge Hurum med som arrangør og medleder, og storbandet skiftet navn til Østereng–Hurums orkester.
I tillegg til et langt virke som musiker var Østereng også en fremtredende formidler av jazz, først og fremst som programsekretær i NRK, der han ble ansatt 1952. Fra 1956 ble det ukentlige jazzsendinger i NRK, der også inviterte gjester holdt kåserier i tillegg til Østereng. 1959 ble programposten Jazzklubben etablert, og den sendes fortsatt (2005) på NRK. Østereng dekket festivaler over hele Europa og i mange år jazzfestivalen i Molde. Da Molderosen for første gang ble utdelt 1967, gikk den til Østereng. Louis Armstrong, som han møtte første gang 1934, var blant hans fremste forbilder, og han oversatte Armstrongs selvbiografi Mitt liv i New Orleans til norsk 1955. Han hadde også en jazzspalte i Dagbladet fra 1957.
Thorleif Østereng var særlig opptatt av storband, og som musiker, orkesterleder og radiomann gjorde han en stor innsats for storbandbevegelsen i Norge. Han var dessuten etterspurt trompetlærer, ikke minst på grunn av sin skinnende tone.