Birchová je dcérou bývalých pornohercov, Jacka Bircha a Carol Connors. Má nemecký, židovský, škandinávsky, francúzsko-kanadský a taliansky pôvod. Pôvodne sa mala narodiť ako chlapec, tak jej rodičia pripravili pre syna meno Thor, ktoré je odvodené od nórskeho boha hromu a blesku. Keďže sa narodila ako dievča, jej rodičia meno pozmenili na Thora. Má mladšieho brata Bolta Bircha.
Kariéra
Birchová na začiatku svojej kariéry účinkovala v rôznych televíznych reklamách, napríklad pre Burger King, California Raisins, Quaker Oats a Vlasic Pickles. Vo filme debutovala v roku 1988, s názvom Fialový návštevník. Za svoj herecký výkon získala ocenenie Young Artist Award v kategórii „Najlepšia mladá herečka do deviatich rokov“.
V roku 1992 si zahrala vo filme Vysoká hra patriotov, pričom si rolu zopakovala aj v pokračovaní pod názvom Jasné nebezpečenstvo. V roku 1993 hrala vo filme Hókus pókus.
V roku 1995 si zahrala spoločne s herečkami ako Ashleigh Aston Moore, Gaby Hoffmann a Christina Ricci vo filme Teraz a potom. O rok neskôr hrala vo filme Aljaška, kde stvárnila jedného z dvoch súrodencov, ktorí prekročili aljašskú divočinu pri hľadaní svojho strateného otca.
V roku 1999 stvárnila hlavnú ženskú postavu vo filme Americká krása. Jej herecký výkon bol kladne prijatý filmovými kritikmi. Jej herecký výkon vo filme jej vyniesol nomináciu na cenu BAFTA.
V roku 2000 hrala vo filme Dračie diery a o rok neskôr hrala vo filmoch Diera a Prízračný svet, za ktorý bola nominovaná na Zlatý glóbus.
V roku 2003 sa objavila v hlavnej úlohe v životopisnom televíznom filme Z ulice na Harvard: Príbeh Liz Murrayovej. Jej herecký výkon jej vyniesol nomináciu na cenu Emmy za vynikajúcu herečku v hlavnej úlohe. Po boku Richarda Dreyfussa si zahrala vo filme Silver City z roku 2004.
V roku 2018 hrala vo filme The Etruscan Smile a v rokoch 2019 až 2020 účinkovala v televíznom seriáli Walking Dead.
Birchová v roku 2022 debutovala ako režisérka, keď natočila životopisný film The Gabby Petito Story, v ktorom aj účinkovala. Na filmovom festivale v Cannes v roku 2023 bolo oznámené, že ďalším jej režisérskym projektom bude adaptácia románu Elmora Leonarda, Pán Paradise.
Súkromný život
Birchová je od roku 2018 vydatá za talentového manažéra a filantropa Michaela Bentona Adlera.
Birchová je dlhoročná demokratka, ktorá bola v roku 2012 delegátkou na Národnom zhromaždení demokratov.