Al año siguiente comenzó la temporada siendo el mejor jugador del torneo Great Alaska Shootout, batiendo el récord del mismo al conseguir 43 puntos en un partido ante San Diego.[3] Logró anotar 20 o más puntos en 18 partidos de la temporada regular, siendo elegido en el mejor quinteto de la Pac-10.[4]
En la que iba a ser su última temporada lideró su conferencia en anotación, acabando en el puesto 11 a nivel nacional, tras promediar 21,6 puntos por partido, siendo elegido por segundo año consecutivo en el mejor quinteto de la conferencia.[5] Acabó la temporada batiendo el récord histórico de anotación de los Cougars, con 733 puntos, renunciando posteriormente a su última temporada de universitario para entrar en el draft de la NBA.[6]
El 31 de octubre de 2014, días después de que comenzara su cuarta temporada en la liga, los Golden State Warriors y el jugador llegaron a un acuerdo de renovación por el máximo salarial, gracias al cual Thompson cobrará un total de 70 millones de dólares, a repartir entre las temporadas 2015/16-2018/19.[8]
Posee el récord de puntos anotados en un solo cuarto, con 37. Lo logró el 23 de enero de 2015, en el tercer cuarto contra Sacramento Kings; anotó 9 triples (récord también en un único cuarto), 4 canastas de dos puntos y dos tiros libres, todo ello sin fallo, y durante el transcurso de 9'40 minutos reales, pues la primera canasta llegó después de más de dos minutos de juego. Terminó el partido con 52 puntos anotados.
Al año siguiente, el 5 de diciembre de 2016, Klay logró anotar 60 puntos en solo 29 minutos, la que es la máxima anotación de su carrera.[10] Se convirtió en el primer jugador en la historia de la NBA en lograr 60 puntos en menos de 30 minutos de juego.[11]
Durante el sexto partido de las finales de la NBA 2019, al intentar realizar un mate a 2:22 para el final del tercer cuarto, recibió una falta de Danny Green que le impidió terminar el partido. Posteriormente, se confirmó que había sufrido una rotura del ligamento cruzado anterior en la rodilla izquierda, por lo que sería operado y se perdería toda la temporada 2019-20.[12]
El 19 de noviembre de 2020, se anunció que Thompson se perdería también toda la temporada 2020-21 debido a una lesión en el tendón de Aquiles, sufrida el día anterior durante un entrenamiento personal.[13]
De cara a la 2021-22, en diciembre de 2021, fue asignado a los Santa Cruz Warriors, el filial de la NBA G League, para disputar algunos encuentros de preparación previos a su retorno a la NBA.[14] Aunque no llegó a debutar en partido oficial con el filial.[15]
Al comienzo de su decimosegunda temporada con los Warriors, el 20 de noviembre de 2022 ante Houston Rockets, anota 41 puntos, incluyendo 10 triples.[19] El 2 de enero de 2023 anota 54 puntos ante Atlanta Hawks.[20] El 6 de febrero, ante Oklahoma City Thunder, consigue 42 puntos, incluyendo 12 triples.[21] Repite ante Houston Rockets el 24 de febrero con otros 42 puntos y 12 triples, siendo la anotación más alta de un jugador sin anotar ninguna canasta de dos puntos.[22] El 9 de abril, tras el último encuentro de temporada regular, alcanza los 301 triples, siendo el tercer jugador en alcanzar esa cifra en una temporada (junto a Stephen Curry y James Harden),[23] y convirtiéndose en el máximo anotador de triples ese año.
Klay y su padre, Mychal, son una de las cinco parejas padre e hijo en ser campeones de la NBA junto con los Barry (Rick y Brent), los Walton (Bill, Luke), los Guokas (Matt Sr. y Matt Jr.), y los Payton (Gary y Gary II).[26]
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