Golden State Warriors (2011-heden)
2011-12 seizoen
Thompson meldde zich na zijn juniorentijd aan voor de 2011 NBA draft en werd als 11e gekozen door de Golden State Warriors. Deze keuze van een guard leidde tot speculaties dat de Warriors starter Monta Ellis zouden ruilen, maar dat gebeurde pas in maart 2012. Warriors general manager Larry Riley prees Thompson om zijn schietvaardigheid en sprak het vertrouwen uit dat Thompson zijn verdedigende vaardigheden zou verbeteren met nieuwe coach Mark Jackson.
De NBA selecteerde Thompson niet voor de 2012 NBA All-Star Weekend Rising Stars Challenge. In de vier wedstrijden na die beslissing verbeterde Thompson zich echter op alle basketbalgebieden ten opzichte van zijn huidige seizoensgemiddelden: punten per wedstrijd (12,5 tegen 7,6), schietpercentage (54,3% overall inclusief 55,6% voor driepunters, omhoog van 46,7 en 48,1), rebounds (2,8 tegen 1,6), assists (1,5 tegen 1,3), steals, en turnovers. De Warriors ruilden Ellis op 13 maart 2012 met de Milwaukee Bucks. De daaropvolgende wedstrijd scoorde Thompson een seizoen-high van 26 punten in een verlies tegen de Boston Celtics. Een week later overtrof hij zijn vorige record met 27 punten in een overwinning op de New Orleans Hornets. Vanaf medio februari 2012 speelde Thompson zo’n 17 minuten per wedstrijd, maar in de maand daarna speelde hij gemiddeld 30 minuten per wedstrijd. Aan het einde van het seizoen werd Thompson verkozen tot het NBA All-Rookie First Team.
Seizoen 2012-13
Op 29 januari, 2013 scoorde Thompson tegen de Cleveland Cavaliers 32 punten, een record voor het seizoen. Warriors-coach Mark Jackson zei dat Thompson en Stephen Curry het beste schietduo in de geschiedenis van de NBA vormden. Dat seizoen maakten de twee samen 483 driepunters, het meeste ooit door een NBA-duo. De Warriors versloegen de Denver Nuggets in de eerste ronde van de play-offs en zouden worden gekoppeld aan de San Antonio Spurs. Op 8 mei 2013 scoorde Thompson 34 punten tegen San Antonio, waarbij hij 8 van de 9 driepunters raakte en 14 rebounds scoorde. Thompson en de Warriors zouden in zes games verliezen van de Spurs.
2013-14 seizoen
In de openingswedstrijd voor de Warriors scoorde Thompson een seizoen-high 38 punten, waaronder 5-of-7 driepunters. Hij en Curry vestigden een NBA-record van 484 gecombineerde driepunters in het seizoen, waarmee ze het record van het jaar ervoor met één overtroffen. Thompson had een gemiddelde van 18,4 punten, 3,1 rebounds en 2,2 assists op het jaar. Thompson en de Warriors gingen de NBA play-offs van 2014 in als zesde geplaatst in de Western Conference en werden in de eerste ronde gekoppeld aan de Los Angeles Clippers; ze verloren de serie in zeven games.
Seizoen 2014-15: Eerste All-Star-selectie en NBA-kampioenschap
Op 31 oktober 2014 tekende Thompson een vierjarige contractverlenging bij de Warriors. Een dag later scoorde hij een recordscore van 41 punten in de 127-104 zege van de Warriors op de Los Angeles Lakers. Op 23 januari 2015 scoorde Thompson een career-high 52 punten, met 11 driepunters, in een 126-101 zege op de Sacramento Kings. In het derde kwart van die wedstrijd scoorde hij een NBA-record van 37 punten voor een enkel kwart, door 13-voor-13 van het veld te gaan, waaronder negen driepunters (ook een competitierecord voor een enkel kwart). De 13 velddoelpunten waren gelijk aan het record van David Thompson (geen relatie) voor een kwart. Op 29 januari 2015 werd Thompson voor het eerst in zijn carrière uitgeroepen tot reserve voor het 2015 Western Conference All-Star team.
Op 8 maart 2015 sloeg Thompson 3 driepunters tegen de Los Angeles Clippers om hoofdcoach Steve Kerr (726) voorbij te gaan op de all-time lijst van de NBA. Op 17 maart werd hij voor 7-10 dagen uitgesloten met een verstuikte enkel. Dat seizoen brak Curry zijn eigen record voor driepunters (286) en eindigde Thompson opnieuw op de tweede plaats (239). De twee maakten samen 525 driepunters, waarmee ze hun vorige record met 41 overtroffen. Op 7 juni, in Game 2 van de NBA Finals, scoorde Thompson een play-off career-high van 34 punten in een verloren wedstrijd tegen de Cleveland Cavaliers. De Warriors versloegen de Cavaliers in zes games om het NBA-kampioenschap te winnen en een einde te maken aan de 40-jarige kampioensdroogte van de franchise.
Seizoen 2015-16
Thompson opende de eerste zeven wedstrijden van het seizoen 2015-16 met slechts 13-van-36 schoten van 3-punts afstand (36 procent). In de laatste 11 wedstrijden van november schoot Thompson vervolgens 32 van 73 keer van buiten de boog (43,8 procent). De NBA-recordstart van de Warriors eindigde op 24 overwinningen toen ze op 12 december verloren van de Milwaukee Bucks. In de volgende wedstrijd van de Warriors, op 16 december, scoorde Thompson 27 van zijn op dat moment recordscore van 43 punten in het derde kwart van hun 128-103 overwinning op de Phoenix Suns. Op 8 januari registreerde hij zijn derde opeenvolgende wedstrijd met 30 of meer punten, eindigend met 36 punten in een 128-108 overwinning op de Portland Trail Blazers. Op 27 januari scoorde hij een record van 45 punten met 14-of-20 schoten in een 127-107 overwinning op de Dallas Mavericks. De volgende avond werd hij benoemd tot een Western Conference All-Star reserve voor de 2016 NBA All-Star Game, waarmee hij zijn tweede All-Star-nominatie op rij verdiende. Op 13 februari deed hij mee aan de Three-Point Contest van het All-Star Weekend en won het evenement na het verslaan van Curry en Devin Booker in de laatste ronde. Op 25 maart scoorde hij 40 punten tegen de Dallas Mavericks. Twee dagen later scoorde hij opnieuw 40 punten tegen de Philadelphia 76ers, waarmee hij voor het eerst in zijn carrière 40 punten in opeenvolgende wedstrijden scoorde. Op 7 april scoorde Thompson 14 punten tegen de San Antonio Spurs, waarmee hij de Warriors hielp het tweede team in de geschiedenis van de NBA te worden dat 70 wedstrijden in een seizoen wint.
Als nummer 1 van de Western Conference stonden de Warriors in de eerste ronde van de play-offs tegenover de als achtste geplaatste Houston Rockets. In Game 5 van de serie werd Thompson de eerste speler in de NBA-geschiedenis die ten minste zeven driepunters maakte in opeenvolgende play-offwedstrijden. Hij hielp de Warriors met een 4-1 overwinning naar de tweede ronde, toen Curry geblesseerd uitviel. De Warriors versloegen de Portland Trail Blazers met 4-1 in de tweede ronde en gingen door naar de Western Conference Finals, waar ze het opnamen tegen de Oklahoma City Thunder. Na een 3-1 nederlaag in Game 4 hielp Thompson de Warriors in Games 5 en 6 om de stand gelijk te trekken op 3-3. In Game 6 maakte Thompson een recordaantal van 11 driepunters en scoorde 41 punten, waardoor de Warriors een Game 7 afdwongen met een 108-101 overwinning. Met een overwinning in Game 7 werden de Warriors het tiende team dat na een 3-1 achterstand een reeks in het naseizoen wist te winnen. De Warriors verloren in de NBA Finals van 2016 in zeven games van de Cleveland Cavaliers, ondanks een 3-1 voorsprong in de serie.
Seizoen 2016-17: Tweede NBA-kampioenschap
Thompson opende de eerste zes wedstrijden van het seizoen 2016-17 met het schieten van 11-of-53 vanaf 3-punten (20,75 procent). In de laatste 11 wedstrijden van november, Thompson ging vervolgens een gecombineerde 39-of-84 van 3-point range (46,4 procent). Op 5 december 2016 scoorde hij 60 punten (schiet 21-van-33 en 8-van-14 op driepunters) in 29 minuten over slechts drie kwartalen in een 142-106 overwinning op de Indiana Pacers, waarmee hij de eerste speler in de NBA-geschiedenis werd die 60 punten scoorde in minder dan 30 minuten actie. Thompson had een NBA-seizoens- en carrièrebeste prestatie voor de hoogst scorende output van een Golden State-speler in meer dan 42 jaar. Zijn 40 punten in de eerste helft brachten hem op de tweede plaats van de meeste gescoorde punten in een helft in de afgelopen tien jaar. Bovendien werd Thompson de eerste Warrior die 60 punten scoorde sinds de 64 van Hall of Famer Rick Barry op 26 maart 1974. Hij voegde zich daarmee bij de Naismith-huldigers Wilt Chamberlain en Joe Fulks als de enige Golden State-spelers die dat deden. Op 26 januari werd hij benoemd tot Western Conference All-Star reserve voor de 2017 NBA All-Star Game. Hij nam deel aan de Three-Point Contest, maar hij slaagde er niet in zijn titel te verdedigen omdat hij in de eerste ronde werd uitgeschakeld. Op 4 april 2017 scoorde hij 41 punten (zijn 10e carrière 40-punts game) in een 121-107 overwinning op de Minnesota Timberwolves. De Warriors eindigden het seizoen als de eerste seed in het Westen met een 67-15 record.
Thompson worstelde met zijn schieten voor langere stukken tijdens de play-offs, maar zijn verdediging tegen tegengestelde guards zoals Damian Lillard, Patty Mills, en Kyrie Irving viel op. Na een 129-115 overwinning in Game 4 van de Western Conference Finals op de San Antonio Spurs, bereikten de Warriors hun derde NBA Finals serie op rij en werden ze het eerste team in de geschiedenis van de competitie dat de play-offs met 12-0 begon. Thompson hielp de Warriors hun tweede kampioenschap in drie jaar te winnen met een 4-1 serieoverwinning op de Cleveland Cavaliers in de 2017 NBA Finals. De Warriors sloten de play-offs af met een 16-1 record, waarmee ze het beste winstpercentage in het naseizoen in de NBA-geschiedenis bereikten.
Seizoen 2017-18: Derde NBA-kampioenschap
Op 29 oktober 2017 scoorde Thompson 29 punten in een 115-107 verlies tegen de Detroit Pistons, waarmee hij de 11e speler in de geschiedenis van de franchise werd die de 9.000 carrièrepunten overschreed. Op 20 december 2017 scoorde hij 27 van zijn 29 punten in de eerste helft en maakte hij zijn eerste negen velddoelpunten in een 97-84 overwinning op de Memphis Grizzlies. Op 27 december 2017, in een 126-101 overwinning op de Utah Jazz, sloeg Thompson drie driepunters, waardoor hij op de derde plaats komt met Dana Barros op 89 opeenvolgende wedstrijden met een driepunter. Op 17 januari 2018 scoorde hij 38 punten in een 119-112 zege op de Chicago Bulls. In een 134-127 overwinning op de Los Angeles Clippers op 22 februari 2018, schoof Thompson voorbij Joe Barry Carroll’s 9.996 punten om de 10e plaats te veroveren op de carrière scoringslijst van de franchise, en werd ook de 10e Warrior die 10.000 reguliere seizoen carrière punten bereikte. Twee dagen later, in een 112-80 overwinning op de Thunder, passeerde Thompson Neil Johnston (10.023) voor de negende plaats op de carrière scoringslijst van de franchise. Op 31 maart 2018, na een afwezigheid van acht wedstrijden met een gebroken rechterduim, scoorde Thompson 25 punten op 10-voor-19 schieten in een 112-96 zege op de Sacramento Kings. Op 5 april 2018, in een 126-106 verlies tegen de Indiana Pacers, was Thompson 4 van 9 op 3-punters om Tim Hardaway (1.542) voorbij te gaan voor de 25e plaats op de carrièrelijst van de competitie. Drie dagen later scoorde hij 22 van zijn 34 punten in het eerste kwart van de 117-100 zege van de Warriors op de Phoenix Suns. Thompson hielp de Warriors de San Antonio Spurs in de eerste ronde van de play-offs in vijf games te verslaan, want hij scoorde 24 punten in een 99-91 zege in Game 5. Daardoor voegde Thompson zich bij Rick Barry (699) en Curry (652) als Warriors-spelers met 600 velddoelpunten in het naseizoen. In Game 3 van de Western Conference Finals tegen de Houston Rockets schoof Thompson Barry (1.776) voorbij voor de tweede plaats op de scorelijst van de Warriors in het naseizoen. In Game 6 sloeg Thompson negen driepunters op weg naar 35 punten, waardoor de Warriors zich herstelden van een vroege achterstand van 17 punten en met een 115-86 overwinning op de Rockets de uitschakeling afsloten. In Game 2 van de NBA Finals speelde Thompson in zijn record 100ste wedstrijd in het naseizoen. Hij werd ook de zesde speler die ooit 300 driepunters maakte in het naseizoen, waarmee hij zich bij Curry voegde als Warriors die deze prestatie hadden bereikt. Hij scoorde 20 punten in de wedstrijd en hielp de Warriors een 2-0 voorsprong te nemen met een 122-103 zege op de Cavaliers. De Warriors gingen verder met het vegen van de serie om back-to-back titels te claimen.
2018-19 seizoen
Over de eerste zeven wedstrijden van 2018-19, Thompson schoot 5 voor 36 van achter de boog en slaagde er niet in om een 20-punten spel te hebben. Hij maakte niet meerdere driepunters in een van de wedstrijden, een carrière-worst zeven-game droogte voor hem. Op 29 oktober 2018, tegen de Chicago Bulls, sloeg hij een NBA-record van 14 driepunters om Curry’s voormalige mark van 13 te verbreken. Thompson scoorde 52 punten in 27 minuten terwijl hij 14-voor-24 van zijn driepunters maakte en 18-voor-29 in totaal van het veld schoot. Zijn 10 driepunters in de eerste helft waren gelijk aan Chandler Parsons’ record uit 2014, en Golden State maakte 17 driepunters in de eerste helft om het NBA-record voor een helft te vestigen. Op 24 november scoorde hij 31 punten met vijf driepunters in een 117-116 zege op de Sacramento Kings. Thompson schoof naar de 21e plaats op de NBA-lijsten van driepunters toen hij in het eerste kwart zijn 1.609e sloeg en Jason Richardson voorbijstak. Op 29 december had hij zijn op één na hoogst scorende wedstrijd van het seizoen met 32 punten in een 115-105 overwinning op de Portland Trail Blazers. Hij schoot zich uit een dipje door 12 van 21 in het veld te schieten en 4 van 5 van 3-point range. Op 8 januari scoorde hij 43 punten met zeven driepunters in een 122-95 zege op de New York Knicks. Op 21 januari vestigde hij een NBA-record door zijn eerste 10 pogingen van 3-punten te maken op weg naar 44 punten in een 130-111 zege op de Los Angeles Lakers. Hij eindigde met 10 van de 11 buiten de boog en 17 van de 20 op de vloer. Op 8 maart scoorde hij 39 punten en maakte negen driepunters in een 122-105 zege op de Denver Nuggets. Op 13 maart scoorde hij 30 punten in een 106-104 zege op de Houston Rockets. Hij maakte vijf driepunters, waarmee hij 203 punten voor het seizoen maakte en zich bij Curry voegde als de enige speler in de NBA-geschiedenis met zeven seizoenen op rij 200 driepunters. Thompson, die al zijn hele carrière wordt geprezen om zijn verdediging, werd voor de eerste keer genoemd in het NBA All-Defensive Team en verdiende daarmee de honneurs van het tweede team. Voor Game 3 van de 2019 NBA Finals tegen de Toronto Raptors, miste Thompson zijn eerste carrière play-off wedstrijd na het verrekken van zijn linker hamstring laat in Game 2. Hij keerde terug in Game 4 en scoorde 28 punten met zes driepunters in een 105-92 verlies, waardoor de Warriors met 3-1 ondergingen in de serie. In Game 5 hielp hij de Warriors de uitschakeling af te wenden met 26 punten in een 106-105 zege, waarmee hij de voorsprong van de Raptors in de serie terugbracht tot 3-2. In Game 6 liep Thompson echter een gescheurde ACL in zijn linkerknie op en moest hij halverwege het derde kwart opgeven met 30 punten, waarna de Warriors de wedstrijd en de serie verloren met een 114-110 nederlaag. Hij eindigde de play-offs als derde voor carrière postseason 3-pointers (374), na alleen Curry (470) en Ray Allen (385).
2019-heden: Omgaan met blessures
Op 1 juli 2019 stemde Thompson in met een verblijf bij de Warriors op een vijfjarig, $ 190 miljoen maximumcontract met een extra vijftien procent trade kicker als gevolg van het niet maken van een All-NBA Team, waardoor hij in aanmerking had kunnen komen voor een supermax deal zoals Curry was in 2017. De volgende dag, op 2 juli, onderging Thompson een succesvolle knieoperatie aan zijn gescheurde ACL, en miste hij als gevolg daarvan het hele seizoen 2019-20. Thompson tekende officieel opnieuw bij de Warriors op 10 juli. Op 19 november 2020 werd bekend dat Thompson het seizoen 2020-21 zou missen vanwege een achillespeesblessure, die hij opliep in een pick-up game in Los Angeles.