Fu selezionato come prima scelta assoluta dai Boston Bruins nel draft del 1997, squadra per cui giocò per sette stagioni. Verso la fine del 2005 fu ceduto agli Sharks. Nella stagione 2005-06, trascorsa fra Boston e San Jose, riuscì ad imporsi nell'Art Ross Trophy e nell'Hart Memorial Trophy, rispettivamente come miglior marcatore della stagione regolare e miglior giocatore del campionato. La visione sul ghiaccio di Thornton, la forza nei tiri, le abilità nei passaggi e lo stile di gioco aggressivo lo hanno portato a diventare uno dei centri più forti dell'intera lega. Grazie al suo fisico imponente, 193 cm per 106 kg, è stato soprannominato "Jumbo Joe".