Après son cursus universitaire, en , le MetroStars sélectionne Zach Thornton dans la huitième ronde (soixante-neuvième choix au total) de la draft inaugurale de la Major League Soccer. Il joue trois matchs de saison régulière. La saison suivante, il dispute trois rencontres de saison régulière, et est prêté aux Imperials de North Jersey qui évoluent en USL où il joue quatre rencontres.
En , il est prêté six mois au Benfica Lisbonne. Il dispute aucune rencontre avec l'équipe première. Il fait son retour à Chicago pour la saison 2005.
Il est échangé aux Rapids du Colorado le , il dispute une rencontre de saison régulière. Puis, en , il rejoint les Red Bulls de New York en tant que gardien de l'équipe de réserve.
Il est échangé au Chivas USA le . Il a fait une impressionnante première saison avec l'équipe, et remporte son deuxième Trophée du gardien de l'année de MLS en 2009. Il se blesse durant la saison 2011 et devient le gardien remplaçant de l'équipe. Il n'est pas prolongé à l'issue de la saison, et annonce la fin de sa carrière sportive après 12 saisons en MLS.
Au cours de sa carrière de joueur, Zach Thornton dispute notamment 282 matchs en MLS[1],[2].
Il est convoqué pour la première fois en équipe des États-Unis par le sélectionneur national Bora Milutinović, pour un match amical contre la Jamaïque le . Il entre à la 69e minute de la rencontre, à la place de Marcus Hahnemann. Le match se solde par une victoire 3-0 des Américains[4].
Quatre ans plus tard, il fait son retour en sélection le lors du match amical contre l'Australie (0-0). Il joue quatre matchs l'année suivante.
Il reçoit sa dernière sélection le contre la Corée du Sud, lors d'un match amical. La rencontre se solde par une défaite 1-0 des Américains. En , il est convoqué pour un match amical contre le Honduras mais n'entre pas en jeu.
Carrière d'entraîneur
Le , Zach Thornton est nommé entraîneur des gardiens de l'équipe de football masculin des Greyhounds de Loyola. Le , il est nommé à un poste similaire pour les équipes masculins et féminins aux Blue Jays d'Elizabethtown. Depuis 2015, il est l'entraîneur des gardiens du D.C. United.
