Golden State Warriors (2011-obecnie)
Sezon 2011-12
Thompson zgłosił się do draftu NBA 2011 po swoim sezonie juniorskim i został wybrany na 11 miejscu przez Golden State Warriors. Wybór ten wywołał spekulacje, że Wojownicy będą handlować Montą Ellisem, ale nie doszło do tego aż do marca 2012 roku. Generalny menadżer Warriors Larry Riley chwalił Thompsona za jego umiejętności strzeleckie i wyraził przekonanie, że Thompson poprawi swoje umiejętności defensywne pod okiem nowego trenera Marka Jacksona.
NBA nie wybrała Thompsona do NBA All-Star Weekend Rising Stars Challenge 2012. Jednak w czterech meczach po tej decyzji, Thompson poprawił się we wszystkich obszarach koszykówki w stosunku do swoich średnich z obecnego sezonu: punkty na mecz (12.5 w stosunku do 7.6), procent rzutów (54.3% ogółem, w tym 55.6% za trzy punkty, wzrost z 46.7 i 48.1), zbiórki (2.8 w stosunku do 1.6), asysty (1.5 w stosunku do 1.3), steale i obroty. Warriors przehandlowali Ellisa do Milwaukee Bucks 13 marca 2012 roku. W kolejnym meczu Thompson zdobył season-high 26 punktów w przegranym spotkaniu z Boston Celtics. Tydzień później przekroczył swój poprzedni rekord 27 punktami w wygranej nad New Orleans Hornets. W połowie lutego 2012 roku Thompson grał około 17 minut na mecz, ale w kolejnym miesiącu grał już średnio 30 minut na mecz. Na koniec sezonu Thompson został wybrany do All-Rookie First Team NBA.
Sezon 2012-13
Dnia 29. stycznia, 2013 roku, Thompson zdobył season-high 32 punkty przeciwko Cleveland Cavaliers. Trener Warriors Mark Jackson powiedział, że Thompson i Stephen Curry tworzą najlepszy duet strzelecki w historii NBA. W tamtym sezonie, ta dwójka łącznie trafiła 483 rzuty trzypunktowe, najwięcej w historii NBA. Warriors pokonali Denver Nuggets w pierwszej rundzie playoffów i zmierzyli się z San Antonio Spurs. 8 maja 2013 roku Thompson zdobył w meczu z San Antonio 34 punkty, trafiając 8 z 9 prób za trzy punkty, a także zanotował 14 zbiórek. Thompson i Warriors będą dalej przegrywać ze Spurs w sześciu meczach.
Sezon 2013-14
W meczu otwarcia dla Warriors, Thompson zdobył season-high 38 punktów, w tym 5-of-7 rzutów trzypunktowych. On i Curry ustanowili rekord NBA dla 484 połączonych trójek w sezonie, pobijając o jeden rekord, który ustanowili w poprzednim roku. Thompson notował średnio 18,4 punktu, 3,1 zbiórki i 2,2 asysty. Thompson i Warriors weszli do playoffów NBA 2014 jako szósty seed w Konferencji Zachodniej i zostali dopasowani do Los Angeles Clippers w pierwszej rundzie; przegrali serię w siedmiu meczach.
Sezon 2014-15: Pierwszy wybór do All-Star i mistrzostwo NBA
31 października 2014 roku Thompson podpisał czteroletnie przedłużenie kontraktu z Warriors. Następnego dnia zdobył ówczesny career-high 41 punktów w wygranej Warriors 127-104 nad Los Angeles Lakers. 23 stycznia 2015 roku Thompson zdobył career-high 52 punkty, trafiając 11 trójek, w wygranej 126-101 nad Sacramento Kings. W trzeciej kwarcie tego meczu, zdobył rekordowe w NBA 37 punktów w pojedynczej kwarcie, trafiając 13-for-13 z pola, w tym dziewięć trójek (również rekord ligi w pojedynczej kwarcie). 13 field goals zrównało się z rekordem Davida Thompsona (bez związku) dla jednej kwarty. W dniu 29 stycznia 2015 roku Thompson został nazwany rezerwowym dla 2015 Western Conference All-Star team po raz pierwszy w swojej karierze.
W dniu 8 marca 2015 roku Thompson trafił 3 trójki przeciwko Los Angeles Clippers, aby przejść head coach Steve Kerr (726) na liście wszech czasów NBA. 17 marca został wykluczony na 7-10 dni ze zwichniętą kostką. W tamtym sezonie Curry pobił swój własny rekord w ilości trafionych trójek (286), a Thompson ponownie zajął drugie miejsce w lidze (239), gdyż obaj łącznie trafili 525 trójek, przekraczając swój poprzedni rekord o 41. 7 czerwca, w meczu nr 2 Finałów NBA, Thompson zdobył rekordowe w karierze 34 punkty w przegranym spotkaniu z Cleveland Cavaliers. Warriors pokonali Cavaliers w sześciu meczach, zdobywając mistrzostwo NBA i kończąc 40-letnią mistrzowską posuchę.
Sezon 2015-16
Thompson otworzył pierwsze siedem meczów sezonu 2015-16 strzelając tylko 13-of-36 z zakresu 3-punktowego (36 procent). W ostatnich 11 meczach listopada, Thompson następnie strzelał łącznie 32-of-73 zza łuku (43,8 procent). Rekordowy w historii NBA start Warriors zakończył się na 24 zwycięstwach, gdy 12 grudnia przegrali z Milwaukee Bucks. W kolejnym meczu Warriors, 16 grudnia, Thompson zdobył 27 ze swoich season-high 43 punktów w trzeciej kwarcie wygranej 128-103 nad Phoenix Suns. 8 stycznia zanotował swój trzeci kolejny mecz z 30 lub więcej punktami, kończąc go z 36 punktami w wygranej 128-108 nad Portland Trail Blazers. 27 stycznia zdobył 45 punktów (14-of-20) w wygranym 127-107 spotkaniu z Dallas Mavericks. Następnej nocy został wybrany rezerwowym w Western Conference All-Star Game 2016 NBA All-Star Game, zdobywając tym samym swoją drugą z rzędu nominację do All-Star. 13 lutego wziął udział w All-Star Weekend’s Three-Point Contest i wygrał to wydarzenie po pokonaniu Curry’ego i Devina Bookera w finale. 25 marca zdobył 40 punktów w meczu z Dallas Mavericks. Dwa dni później miał kolejny 40-punktowy mecz przeciwko Philadelphia 76ers, zdobywając 40 punktów w kolejnych spotkaniach po raz pierwszy w karierze. 7 kwietnia Thompson zdobył 14 punktów przeciwko San Antonio Spurs, pomagając Warriors stać się drugą drużyną w historii NBA, która wygrała 70 spotkań w sezonie.
Jako nr 1 w Konferencji Zachodniej, Warriors zmierzyli się z ósmymi Houston Rockets w pierwszej rundzie playoffów. W piątym meczu serii Thompson został pierwszym graczem w historii NBA, który trafił co najmniej siedem trójek w kolejnych meczach playoffów, dzięki czemu Warriors awansowali do drugiej rundy, wygrywając 4-1, a Curry’emu zabrakło już sił. W drugiej rundzie Warriors pokonali Portland Trail Blazers 4-1 i awansowali do Finałów Konferencji Zachodniej, gdzie zmierzyli się z Oklahomą City Thunder. Po przegranej 3:1 w meczu nr 4, Thompson pomógł Warriors w meczach nr 5 i 6, wyrównując stan serii na 3-3. W meczu nr 6 Thompson trafił rekordowe w playoffach 11 rzutów za trzy punkty i zdobył 41 punktów, a Warriors wymusili wygraną 108-101 w meczu nr 7. Dzięki zwycięstwu w Game 7, Warriors stali się 10 drużyną, która wyszła z deficytu 3-1 i wygrała serię posezonową. Warriors przegrali z Cleveland Cavaliers w Finałach NBA 2016 w siedmiu meczach, mimo że prowadzili 3-1 w serii.
Sezon 2016-17: Drugie mistrzostwo NBA
Thompson otworzył pierwsze sześć meczów sezonu 2016-17 strzelając 11-of-53 z 3-punktowego zasięgu (20,75 procent). W ostatnich 11 meczach listopada, Thompson trafił łącznie 39-of-84 z 3-punktowego dystansu (46.4 procent). 5 grudnia 2016 roku, zdobył 60 punktów (strzelając 21-of-33 i 8-of-14 za trzy punkty) w 29 minut w ciągu zaledwie trzech kwart w wygranej 142-106 nad Indiana Pacers, stając się pierwszym graczem w historii NBA, który zdobył 60 punktów w mniej niż 30 minut akcji. Thompson był najlepszym graczem w historii NBA, który zdobył najwięcej punktów od ponad 42 lat. Jego 40 punktów zdobytych w pierwszej połowie meczu dało mu drugie miejsce pod względem największej liczby punktów zdobytych w tej połowie w ciągu ostatniej dekady. Ponadto Thompson stał się pierwszym Wojownikiem, który zdobył 60 punktów od czasu 64 punktów Ricka Barry’ego 26 marca 1974 roku, dołączając do uhonorowanych nagrodą Naismitha Wilta Chamberlaina i Joe Fulksa jako jedynych graczy Golden State, którzy tego dokonali. 26 stycznia został uznany rezerwowym Western Conference All-Star Game na 2017 NBA All-Star Game. Wziął udział w Three-Point Contest, ale nie udało mu się obronić tytułu, gdyż został wyeliminowany w pierwszej rundzie. 4 kwietnia 2017 roku zdobył 41 punktów (jego 10. w karierze 40-punktowy mecz) w wygranej 121-107 nad Minnesotą Timberwolves. Warriors zakończyli sezon jako pierwszy seed na Zachodzie z rekordem 67-15.
Thompson zmagał się ze swoim strzelaniem przez dłuższe odcinki podczas playoffów, ale jego obrona przeciwko przeciwnikom, takim jak Damian Lillard, Patty Mills i Kyrie Irving, wyróżniała się. Po zwycięstwie 129-115 w Game 4 Finałów Konferencji Zachodniej nad San Antonio Spurs, Warriors osiągnęli trzecią z rzędu serię Finałów NBA, stając się pierwszą drużyną w historii ligi, która rozpoczęła playoffy 12-0. Thompson pomógł Warriors zdobyć drugie mistrzostwo w ciągu trzech lat, wygrywając serię 4-1 nad Cleveland Cavaliers w Finałach NBA 2017. Warriors zakończyli playoffy z rekordem 16-1, osiągając najlepszy postseason winning percentage w historii NBA.
Sezon 2017-18: Trzecie mistrzostwo NBA
W dniu 29 października 2017 roku Thompson zdobył 29 punktów w przegranej 115-107 z Detroit Pistons, stając się 11. graczem w historii franczyzy, który przyćmił 9000 punktów w karierze. 20 grudnia 2017 roku, zdobył 27 ze swoich 29 punktów w pierwszej połowie i wykonał swoje pierwsze dziewięć bramek z pola w wygranej 97-84 nad Memphis Grizzlies. 27 grudnia 2017 roku, w wygranej 126-101 nad Utah Jazz, Thompson trafił trzy rzuty trzypunktowe, dzięki czemu zrównał się z Daną Barrosem w liczbie 89 kolejnych meczów z 3-punktowym rzutem. 17 stycznia 2018 roku, zdobył 38 punktów w wygranej 119-112 nad Chicago Bulls. W wygranej 134-127 nad Los Angeles Clippers 22 lutego 2018 roku, Thompson wyprzedził Joe Barry’ego Carrolla z 9,996 punktami i zajął 10 miejsce na liście najlepszych strzelców w karierze, stając się również 10 Wojownikiem, który osiągnął 10,000 punktów w sezonie regularnym. Dwa dni później, w wygranej 112-80 nad Thunder, Thompson wyprzedził Neila Johnstona (10,023) na dziewiątym miejscu na liście najlepszych strzelców w karierze. 31 marca 2018 roku, po ośmiu meczach absencji z powodu złamanego prawego kciuka, Thompson zdobył 25 punktów na 10-for-19 w wygranej 112-96 nad Sacramento Kings. 5 kwietnia 2018 roku, w przegranym 126-106 meczu z Indiana Pacers, Thompson trafił 4 z 9 rzutów trzypunktowych, dzięki czemu wyprzedził Tima Hardawaya (1,542) na 25. miejscu na liście kariery w lidze. Trzy dni później zdobył 22 ze swoich 34 punktów w pierwszej kwarcie wygranej przez Warriors 117-100 nad Phoenix Suns. Thompson pomógł Warriors pokonać San Antonio Spurs w pierwszej rundzie playoffów w pięciu meczach, ponieważ zdobył 24 punkty w wygranym 99-91 meczu 5. Dzięki temu Thompson dołączył do Ricka Barry’ego (699) i Curry’ego (652) jako gracze Warriors z 600 postseason field goals. W meczu nr 3 Finałów Konferencji Zachodniej przeciwko Houston Rockets, Thompson wyprzedził Barry’ego (1,776) i zajął drugie miejsce na liście strzelców Warriors w postseason. W meczu nr 6 Thompson trafił dziewięć rzutów za 3 punkty, zdobywając 35 punktów. Warriors odrobili 17-punktową stratę i wygrali 115-86 z Rockets. W drugim meczu Finałów NBA Thompson zagrał w swoim rekordowym, setnym meczu posezonowym. Stał się też szóstym graczem, który trafił 300 trójek w postseason, dołączając do Curry’ego jako Warriors, którzy osiągnęli ten wyczyn. Zdobył 20 punktów w meczu i pomógł Warriors objąć prowadzenie 2-0 dzięki wygranej 122-103 nad Cavaliers. Warriors poszedł na zamiatać serię, aby zdobyć back-to-back titles.
Sezon 2018-19
Przez pierwsze siedem meczów 2018-19, Thompson strzelał 5 na 36 zza łuku i nie udało mu się mieć 20-punktowej gry. Nie trafił wielu trójek w żadnym z konkursów, co jest dla niego najgorszą w karierze siedmiomeczową posuchą. 29 października 2018 roku, przeciwko Chicago Bulls, trafił rekordowe w NBA 14 trójek, aby pobić poprzedni znak Curry’ego wynoszący 13. Thompson zdobył 52 punkty w 27 minut, trafiając 14-for-24 swoich trójek i strzelając 18-for-29 ogólnie z pola. Jego 10 trójek w pierwszej połowie zrównało się z rekordem ligi Chandlera Parsonsa ustanowionym w 2014 roku, a Golden State trafiło 17 trójek w pierwszej połowie, ustanawiając rekord NBA dla połowy. 24 listopada zdobył 31 punktów, trafiając pięć rzutów trzypunktowych w wygranej 117-116 nad Sacramento Kings. Thompson przesunął się na 21. miejsce na liście strzelców NBA w karierze, kiedy trafił swój 1,609. rzut w pierwszej kwarcie, wyprzedzając Jasona Richardsona. 29 grudnia miał swój drugi najwyższy wynik w sezonie, zdobywając 32 punkty w wygranej 115-105 nad Portland Trail Blazers. Wyszedł z zapaści trafiając 12 z 21 rzutów z pola i 4 z 5 rzutów za trzy punkty. 8 stycznia zdobył 43 punkty, trafiając siedem rzutów za 3 punkty w wygranej 122-95 nad New York Knicks. 21 stycznia ustanowił rekord NBA, trafiając 10 pierwszych prób z dystansu i zdobywając 44 punkty w wygranej 130-111 z Los Angeles Lakers. Trafił 10 z 11 rzutów zza łuku i 17 z 20 rzutów z gry. 8 marca zdobył 39 punktów i trafił dziewięć rzutów za trzy punkty w wygranej 122-105 nad Denver Nuggets. 13 marca zdobył 30 punktów w wygranej 106-104 nad Houston Rockets. Trafił pięć rzutów trzypunktowych, co dało mu 203 punkty w sezonie, dołączając do Curry’ego jako jedynego gracza w historii NBA, który przez siedem sezonów z rzędu miał 200 trafionych rzutów trzypunktowych. Thompson, chwalony za swoją obronę przez całą karierę, po raz pierwszy został wybrany do NBA All-Defensive Team, zdobywając wyróżnienie drugiej drużyny. W meczu 3 Finałów NBA 2019 przeciwko Toronto Raptors, Thompson opuścił swój pierwszy mecz playoffów w karierze po nadwyrężeniu lewego ścięgna szyjnego późno w Game 2. Wrócił w Game 4 i zdobył 28 punktów z sześcioma punktami 3-pointters w przegranej 105-92, jak Warriors przeszedł w dół 3-1 w serii. W Game 5 pomógł Warriors uniknąć eliminacji, zdobywając 26 punktów w wygranej 106-105, zmniejszając tym samym przewagę Raptors do 3-2. Jednak w meczu 6 Thompson doznał zerwania ACL w lewym kolanie i odszedł z 30 punktami w połowie trzeciej kwarty, a Warriors przegrali mecz i serię 114-110. Zakończył playoffy na trzecim miejscu pod względem liczby postseason 3-pointers w karierze (374), trailing only Curry (470) i Ray Allen (385).
2019-obecnie: Zmagania z kontuzjami
1 lipca 2019 roku Thompson zgodził się pozostać z Warriors na pięcioletnim, maksymalnym kontrakcie o wartości 190 milionów dolarów z dodatkowym piętnastoprocentowym trade kickerem w wyniku nieuzyskania miejsca w All-NBA Team, co mogłoby sprawić, że kwalifikowałby się do umowy supermax, tak jak Curry w 2017 roku. Następnego dnia, 2 lipca, Thompson przeszedł udaną operację kolana na zerwanym ACL i w efekcie opuścił cały sezon 2019-20. Thompson oficjalnie ponownie podpisał kontrakt z Warriors 10 lipca. 19 listopada ogłoszono, że Thompson opuści sezon 2020-21 z powodu kontuzji ścięgna Achillesa, której doznał w grze pickup w Los Angeles.