Thornton püüdis saada 1996 NHL draftile, kuid ükski meeskond teda ei valinud. 1997. aastal valis teda NHL-i Toronto Maple Leafs.
Thornton ei mänginud kunagi Torontos ja vahetati Chicago Blackhawks'ile 2001.-2002. aasta hooaja jooksul. Pärast kuut hooaega NHL-i ja AHL-i vahel, Chicago ja Anaheim Ducksi vahel, võitis Thornton oma karjääri esimene Stanley Cup oma viimasel hooajal Ducksiga 2006.-2007. aastal.