W reprezentacji Thompson zadebiutował 17 maja 1964 w wygranym 4-3 towarzyskim meczu z Portugalią. W 1968 został powołany do kadry Anglii na Mistrzostwa Europy 1968, na którym Anglia wywalczyła brązowy medal. Ostatni raz w reprezentacji wystąpił 25 kwietnia 1970 w zremisowanym 0-0 towarzyskim meczu ze Szkocją. Ogółem w latach 1964-1970 rozegrał w reprezentacji 16 meczów.