Ha l'onore di essere l'unico attore ad essere apparso in tutti i film diretti da Nick Cassavetes, da Una donna molto speciale a La custode di mia sorella, che segna la loro settima collaborazione.
L'attore ha ricevuto critiche molto positive per la sua performance in A Civil Action di Steve Zaillian, con John Travolta e Robert Duvall, ma la maggior parte del suo lavoro è stato nel mondo dei film indipendenti, come The Last Days of Disco, di Whit Stillman, XX/XY di Austin Chick, Arte mortale di Lisa Cholendenko, Romance and Cigarettes e Illuminata di John Turturro, Bionda naturale di Tom DiCillo, Office Killer-L'impiegata modello di Cindy Sherman e Mrs. Parker e il circolo vizioso di Alan Rudolph, prodotto da Robert Altman. Più recentemente, Thornton è apparso nel film di Darko Lungulov Here and There, presentato con successo al Tribeca Film Festival e presto lo vedremo in Horizon, con Jay O. Sanders.
Thornton ha lavorato molto per la televisione, lo ricordiamo in Law & Order: SVU, nel ruolo di Lionel Granger, personaggio che aveva già interpretato nell'originale Law & Order. Per il suo lavoro in teatro ha vinto un Dramalogue Award per una produzione di Quincy Long di The Johnstown Vindicator a Los Angeles.
Thornton si è laureato alla Yale School of Drama ed è sposato con la star del rock Cindy Lauper.