Lea Thompson wurde in Rochester geboren und war das jüngste von fünf Kindern. Ihre Eltern waren Barbara Thompson, eine Sängerin sowie Musikerin, und Cliff Thompson.[1] Bereits im Alter von 14 Jahren begann sie eine Karriere als professionelle Balletttänzerin.[2] Später studierte sie auch Balletttanz und trainierte dafür täglich 3 bis 4 Stunden. Sie gewann Stipendien für das American Ballet Theatre, das San Francisco Ballet und das Pennsylvania Ballet. Mit 20 Jahren gab sie dann ihre Ballettkarriere auf und ging nach New York, in der Hoffnung Schauspielerin zu werden, wo sie 1980 ihren ersten Fernsehauftritt in einem Burger King-Werbespot hatte.[2] Ihr Kinodebüt gab Thompson in dem Film Der weiße Hai 3-D 1982.[2] Nach ihrem Auftritt neben Tom Cruise in Der richtige Dreh zählte sie als Brat Pack zu den großen Hoffnungen von Hollywood. Ihren Durchbruch erzielte Thompson in der Zurück in die Zukunft-Trilogie, in der sie die Mutter von Marty McFly (Michael J. Fox) darstellte. Fünf Jahre lang spielte sie die Titelrolle in der Sitcom Caroline in the City. 2005 übernahm sie die Hauptrolle in der mehrteiligen Spielfilmreihe Jane Doe über eine ehemalige Geheimagentin. 1996 machte sie eine kleine Pause im Filmgeschäft und wirkte in einigen Broadwayaufführungen mit. Seit 1989 ist sie mit dem Filmregisseur Howard Deutch verheiratet,[1] den sie bei den Dreharbeiten zum Film Ist sie nicht wunderbar? kennengelernt hatte. Mit ihm hat sie zwei Töchter Madeline und Zoey Deutch.[1] Davor war sie drei Jahre mit dem Schauspieler Dennis Quaid (Frequency, D.O.A) verlobt.