Efter en blygsam inledande säsong med blott 7 poäng på 55 matcher, tog NHL-karriären ordentlig fart säsongen 1998-99. Där blev det 41 poäng på 81 matcher i grundserien och dessutom 9 poäng på 11 slutspelsmatcher.
Sedan dess har Thornton varit en av ligans mest pålitliga poängmakare.
Säsongen 2002-03 utsågs han till lagkapten i Bruins, ett förtroende han tackade för genom att svara för 101 poäng och sluta trea i den totala poängligan, bakom Peter Forsberg och Markus Näslund.
33 matcher in i säsongen 2005-06 flyttade Thornton från Boston Bruins till San Jose Sharks i en bytesaffär där Marco Sturm, Wayne Primeau och Brad Stuart gick i motsatt riktning. Bytet innebar en ytterligare skjuts i karriären och Thornton vann NHL:s poängliga och Art Ross Trophy med 125 gjorda poäng (29+96). Samma säsong vann han också Hart Memorial Trophy som ligans mest värdefulla spelare i grundserien.
Säsongen därefter blev Thornton blev den tredje spelaren i NHL:s historia att göra minst 90 målgivande passningar två säsonger i rad. Wayne Gretzky och Mario Lemieux är de andra två spelarna som mäktat med den bedriften.
Förutom framgångarna i NHL har Thornton även ett OS-guld med Kanada 2010 och han har vunnit både Junior-VM (1997) och World Cup (2004 och 2016).