Thompson wurde am 3. Oktober 1983 in Los Angeles (Kalifornien) als Tochter des Chocolate-Genius-Sängers Marc Anthony Thompson geboren. Sie ging auf die Santa Monica High School und spielte viel Theater.
Ihren ersten Auftritt im Fernsehen hatte Thompson 2005 in einer Episode der Fernsehserie Cold Case – Kein Opfer ist je vergessen. In der zweiten Staffel von Veronica Mars spielte sie ihre erste Hauptrolle in einer Fernsehserie und erlang durch die Rolle der Jackie Cook größere Bekanntheit. Im Jahr 2007 übernahm Thompson in der The-CW-Fernsehserie Hidden Palms ihre zweite Hauptrolle als Nikki Barnes.
Seit 2016 spielt sie die Rolle der Charlotte Hale in der Serie Westworld. In der Marvel-Verfilmung Thor: Ragnarok wird sie die Rolle der Valkyrie übernehmen. Die Veröffentlichung ist für November 2017 vorgesehen.
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