Лиа Томпсон родилась в г. Рочестер (США) в семье певицы Барбары Томпсон и её мужа Клиффа. В детстве она занималась балетом, а в 14 лет стала профессиональной танцовщицей и получила стипендию в Американском театре балета
Томпсон решила уйти из балета и стать актрисой, в 20 лет она переехала в Нью-Йорк, поначалу снималась в рекламных роликах компании Burger King и музыкальных клипах.
В 1983 году с выходом фильмов «Челюсти 3» и «Только верные ходы» состоялся её дебют в кино.
Наиболее известной актёрской работой Томпсон стала роль Лоррейн Бейнс в кинотрилогии «Назад в будущее».
В 1989 году Томпсон вышла замуж за режиссёра Говарда Дойча, с которым познакомилась на съёмках фильма «Нечто замечательное» в 1987 году. У них две дочери — Мэйделин (родилась в 1991 году) и Зои (родилась в 1994 году).
Зои Дойч пошла по стопам матери и стала актрисой.