Thompson è cresciuta a Richmond, in Virginia, dove ha frequentato la Collegiate School. Fin dalla tenera età, ha iniziato a imparare il balletto, il jazz e la danza moderna. È stata una ballerina professionista con il Richmond Ballet per molti anni, si è quindi presa una pausa per studiare e laurearsi nel 2005 in studi di performance e letteratura all'Università di Harvard, concentrandosi su opere francesi e postcoloniali.
Carriera
Dopo la laurea, Thompson ha ottenuto il suo primo ruolo nella serie televisiva Brotherhood - Legami di sangue (2006), al fianco di Jason Isaacs. Ha poi recitato come guest star in diversi programmi televisivi prima di ottenere un ruolo ricorrente nella serie della CBSNCIS - Unità anticrimine (2006-2007), nei panni della dottoressa Jeanne Benoit, la fidanzata di Tony DiNozzo (interpretato da Michael Weatherly) e la figlia di René Benoit (interpretato da Armand Assante). È apparsa regolarmente durante la quarta stagione e ha lasciato la serie all'inizio della quinta (è riapparsa più tardi quella stagione nell'episodio Affari interni). Ha poi girato il film indipendente Pornostar (2008), con Matthew Gray Gubler, e ha fatto apparizioni come ospite in Shark (2007), CSI: NY (2007) ed Eli Stone (2008).
Nel 2008, Thompson è apparsa nel video del singolo dei Counting CrowsYou Can't Count on Me. Ha anche avuto una piccola parte nel film Star Trek (2009) di J.J. Abrams. Nel 2010 ha recitato nel film sull'apocalisse aliena Skyline dei fratelli Strause. È apparsa anche nel video musicale di Bon JoviWhat Do You Got?.
Nel 2013 è stata scelta per interpretare Lauren Kincade nella serie TV di USA Network Graceland. Nel 2015 è tornata nella serie NCIS con il ruolo di Jeanne Benoit.
