Thompson telah muncul dalam drama panggung sebagai Luisa di A Shayna Maidel. Dia juga dinominasikan untuk Aktris Terbaik oleh San Diego Critics Circle untuk perannya dalam Agnes of God.[2]
Thompson terkenal karena karya televisinya, termasuk bermain sebagai Karen Sammler pada Once and Again, Michelle Generoo dalam episode The X-Files, dan perannya sebagai Ratu Borg di Star Trek: Voyager untuk dua episode (1999).[3] Thompson juga memerankan Denise Hydecker dalam film televisi The Lake (1998).[4][5]
Salah satu penampilan televisi Thompson yang paling kontroversial adalah pada episode Star Trek: Deep Space Nine berjudul Rejoined. Dalam episode itu, ia berpartisipasi dalam salah satu ciuman oleh pasangan sesama jenis di televisi Amerika Serikat. Episode tersebut ditayangkan pertama kali pada 30 Oktober 1995.[6][7][8][9]
Dia menjadi bintang tamu di Law & Order: SVU pada 7 Oktober 2003 di musim kelima untuk episode berjudul Mother. Ia bermain sebagai Dr. Greta Heints, seorang psikiater yang merehabilitasi pelanggar seks dan mempersiapkan mereka untuk kembali ke masyarakat.[10][11] Sejak Januari 2006, ia berperan sebagai pemeran utama dalam drama NBCThe Book of Daniel. Kemudian pada November 2006, ia membuat penampilan pertamanya sebagai Letnan Kolonel Hollis Mann di serial CBSNCIS. Karakternya adalah minat cinta Agen Gibbs.[12]
Pada 2009, Thompson membintangi serial NBC Kings, bercerita tentang kisah Daud dari Alkitab.[13][14][15] Pada 2012, Thompson memulai perannya sebagai Moira Queen di tv seri CWArrow.[16][17][18] Thompson juga muncul sebagai Carolyn Preston dalam seri NBCTimeless (2016–2018).[19]
