Zwischen 1872 und 1874 war er Stadtratsmitglied und in den folgenden drei Jahren "city attorney" der Stadt. Von 1875 bis 1877 war er Mitglied des Abgeordnetenhauses Nebraskas. Danach übernahm er als "assistant attorney" die Rolle des Rechtsberaters bei der Union Pacific Railroad und wurde 1888 zu deren "general solicitor" ernannt. Nach einer zunächst erfolglosen Kandidatur zum Senator im Jahr 1893, legte Thurston sein Amt bei der Union Pacific Railroad 1895 nieder und war in der Legislaturperiode vom 4. März 1895 bis zum 3. März 1901 republikanischer Senator in Washington, D.C. Während seiner Amtszeit war er Mitglied des "United States Senate Committee on Indian Affairs". Obwohl er nicht zur Wiederwahl aufgestellt wurde, wohnte er bis 1915 in Washington, wo er ab April 1901 Mitglied der Kommission war, die für die Planung der 1904 stattfindenden Louisiana Purchase Exposition verantwortlich war. 1915 kehrte Thurston dann nach Omaha zurück.