Lea Thompson est surtout identifiée à son rôle de Lorraine Baines McFly, la mère du personnage de Michael J. Fox dans les trois volets des films Retour vers le futur.
Après avoir joué dans plusieurs autres films à la même époque, dont Howard the Duck (1986) et The Beverly Hillbillies (1993), elle s'est graduellement tournée vers la télévision et a aussi joué sur les planches de Broadway au début des années 2000.
Ces dernières années, Lea Thomspon a multiplié les projets à la télévision, surtout dans les téléfilms.
L'année 2008 marque d'ailleurs les débuts derrière la caméra de l'actrice aujourd'hui âgée de 47 ans.
Elle travaille en effet à la réalisation du film The Swingin' Sounds of Jack Amsterdam, une comédie qui devrait sortir plus tard cette année.