Thompsonová získala stříbrnou medaili v běhu na 200 metrů na Mistrovství světa 2015. Na Halovém mistrovství světa 2016 v Portlandu na trati 60 metrů získala bronzovou medaili s časem 7,06 sekundy, k tomu s časem 10,71 sekundy získala zlatou medaili v závodě na 100 metrů. Na Letních olympijských hrách 2016 v Riu de Janeiru získala zlatou medaili v běhu na 200 m časem 21,78 sekundy. Se štafetou na 4 × 100 metrů získala stříbrnou medaili. V roce 2017 se zúčastnila Mistrovství světa v atletice v běhu na 100 m, ve finále doběhla pátá. Na LOH 2020 v Tokiu, o rok odložených pro pandemii koronaviru, obhájila dvě zlata z Rio de Janeira, když zvítězila v časech 10,61 s a 21,53 s na obou nejkratších běžeckých distancích. O několik dní později pak v americkém Eugene zaběhla druhý nejrychlejší čas všech dob, 10,54 s (o pouhých 5 setin sekundy za dlouholetým světovým rekordem americké sprinterky Florence Griffith-Joynerové).