In der Saison 2015 gelang Thompson der Durchbruch in die Weltspitze. Beim "UTech Classic" im April blieb sie mit 10,92 s erstmals unter der 11-Sekunden-Marke. Ende Mai verbesserte sie sich beim Prefontaine Classic in Eugene auf 10,84 s. Auf Anraten ihres Trainers Stephen Francis verzichtete sie aber auf einen Start über 100 Meter bei den jamaikanischen Meisterschaften Ende Juni, sondern trat nur im 200-Meter-Lauf an. Sie siegte in 22,51 Sekunden vor Sherone Simpson und Veronica Campbell-Brown und qualifizierte sich damit für die Weltmeisterschaften in Peking. Beim London Grand Prix Ende Juli steigerte sie ihre Bestleistung über 200 Meter auf 22,10 s. Bei den Weltmeisterschaften verbesserte sie sich auf 21,66 s und gewann damit die Silbermedaille hinter der Niederländerin Dafne Schippers. Ferner holte sie gemeinsam mit Veronica Campbell-Brown, Natasha Morrison und Shelly-Ann Fraser-Pryce den Titel in der 4-mal-100-Meter-Staffel. Bei den Hallenweltmeisterschaften 2016 in Portland gewann Thompson im 60-Meter-Lauf hinter der US-Amerikanerin Barbara Pierre und Dafne Schippers die Bronzemedaille.