Когда Лие исполнилось четырнадцать лет, она уже профессионально танцевала. Вскоре Томпсон получила стипендию и возможность учиться в нескольких балетных школах, в том числе в «American Ballet Theatre», «San Francisco Ballet» и «Pennsylvania Ballet». Через некоторое время Лиа уже активно сотрудничала с разными театрами, например, в «American Ballet Theater» будущая актриса выступила в 45-ти балетах. Также Леа Кэтрин Томпсон работала в «Minnesota Dance Theatre» «Ballet Repertory».
Специалисты часто обращали внимание на талантливую танцовщицу, называя ее чрезвычайно привлекательной, но лишенной внутреннего и внешнего изящества. Быть может, именно поэтому (а также – из-за частых травм) Лиа Кэтрин Томпсон решила оставить балет и заняться актерской деятельностью. В двадцатилетнем возрасте Лиа отправилась в Нью-Йорк и там стала сниматься в кино.
В начале восьмидесятых годов начинающая актриса появилась в таких фильмах, как «Jaws 3-D» и «All the Right Moves». После – она снялась в картинах «Red Dawn» (1984) и «The Wild Life» (1984). Самой знаменитой ролью Лиа Кэтрин Томпсон стал персонаж Лоррэйн Бэйнс Мак Флай в чрезвычайно популярной трилогии «Назад в будущее».
В 1986-ом году актриса сыграла в фильмах «SpaceCamp» и «Howard the Duck». В некоторых фильмах, она, кстати, самостоятельно – и очень талантливо - исполняла песни, а после даже выпустила альбом.
В начале девяностых годов Лиа Кэтрин Томпсон появилась в фильмах «Dennis the Menace» (1993), «The Beverly Hillbillies» (1993) и «The Little Rascals» (1994). Приблизительно в тот же период времени актриса снялась в телевизионных многосерийных картинах «The Substitute Wife» (1994), «The Unspoken Truth» (1995) и «The Right To Remain Silent» (1996). Кстати в 1996-ом году актриса была удостоена премии People's Choice Award в категории – «Любимая актриса телевизионных сериалов».
В настоящее время Лиа Кэтрин Томпсон продолжает активную творческую деятельность. Например, в мае 2008-го года на экраны США вышел очередной фильм с ее участием - «Final Approach».