okulu bıraktı. Birkaç yıl çiftlikte çalıştıktan sonra Carlisle’a geri dönerek atletizm kariyerine başladı.

Söylentilere göre Thorpe atletik kariyerine 1907’de Carlisle’da atletizm pistinden geçerken üzerindeki elbiselerle hazırlıksız olarak 1,75 metrelik sıçrayışla okulun yüksek atlamacılarını geçmesiyle başlamıştır. Bunun doğru olup olmadığı bilinmez ama kaydedilmiş en erken atletizm sonuçları 1907 yılına aittir. Thorpe, atletizmin yanı sıra Carlisle’da Amerikan futbolu ve beyzbol, lacrosse (raket benzeri sopalarla oynanan bir tür çim hokeyi) ve hatta dans takımlarına da katılmıştır. 
Ulusal anlamda ilk olarak 1911 yılında okulunun futbol takımında farklı pozisyonlarda oynayarak dikkati çekti. Carlisle’ın Harvard takımını yendiği 18-13’lük maçta takımının tüm sayılarını Thorpe yapmıştır. Sezonu 11-1 tamamlayan Carlisle sonraki sezon Thorpe’un 25 "touchdown" ve 198 sayısıyla (12 maçta) ulusal kolej şampiyonasına katılmıştır. Carlisle'ın 1912 yılındaki karşılaşmaları içinde, West Point karşısındaki etkileyici 27-6’lık galibiyet dikkat çeker. Thorpe’un yaptığı 92 yardalık touchdown takım arkadaşının yapmış olduğu penaltı yüzünden iptal edilmiş ancak Thorpe bir sonraki oyunda 97 yardalık bir touchdown yapmayı başarmıştır. Thorpe 1911 ve 1912 yıllarında Amerikan ulusal karmasına seçilmiştir. 
O maç sırasında, daha sonra ABD başkanı olacak olan Dwight Eisenhower Thorpe’u engellemeye çalışırken dizini incitmiştir. Eisenhower 1961 yılında yaptığı bir konuşmada Thorpe’tan şöyle sözetmiştir: ""Zaman zaman doğuştan üstün yeteneklere sahip insanlarla karşılaşırız. Aklıma Jim Thorpe geliyor. Hayatında bir kere bile antrenmana çıkmamıştır ama bugüne kadar gördüğüm futbol oyuncularından daha iyi oynayabilirdi."" ."

Futbol, Thorpe’un en sevdiği spordu ve hep öyle kaldı., Atletizm pistine ara sıra çıkıp yarışıyordu. Yine de Thorpe asıl ününü atletizm ile kazanmıştır.

İsveç’in başkenti Stokholm’de yapılan 1912 Yaz Olimpiyatları’nda programa iki yeni atletizm dalı konmuştu: Pentatlon ve dekatlon. 1906 Yaz Olimpiyatları’nda antik Yunan oyunlarındakine benzer bir pentatlon karşılaşması yapılmıştı ancak 1912 yılında pentatlon karşılaşmaları uzun atlama, cirit atma, 200 metre kısa mesafe koşu, disk atma ve 1500 metre koşu dallarından oluşturulmuştu.
1880 yılından beri ABD’de yapılmasına ve St. Louis’deki 1904 Yaz Olimpiyatları’nda bir çeşit dekatlon karşılaşması yer almasına rağmen dekatlon karşılaşmaları atletizm içinde yeni bir daldı ve Olimpiyatlardaki dekatlon ABD versiyonundan farklıydı. Carlisle atletizm takımında birçok dalda yarışan Thorpe gibi çok yönlü bir atlet için bu iki yeni karşılaşma, biçilmiş kaftandı. Dolayısıyla Thorpe hem pentatlon hem de dekatlon için ABD Olimpiyat Seçmeleri’ne katıldı.
Üç karşılaşmayı kazanarak Doğu Bölgesi Seçmeleri'ni kolayca kazanan Thorpe aralarında daha sonra Uluslararası Olimpiyat Komitesi Başkanı olacak Avery Brundage’in de bulunduğu pentatlon takımına seçildi. Dekatlon takımı için yalnızca birkaç aday olması nedeniyle seçmeler iptal edildi. Thorpe ilk ve tek dekatlon karşılaşmasına Olimpiyatlarda katılacaktı.

Thorpe'un Olimpiyatlardaki karşılaşma programı oldukça doluydu, çünkü pentatlon ve dekatlonun yanı sıra uzun atlama ve yüksek atlama dallarında da yarışıyordu. İlk karşılaşma pentatlon dalındaydı ve beş farklı dalın dördünü önde bitiren Thorpe 1912 yılından önce hiç yarışmadığı cirit atmada üçüncü geldi. Yarışma sonuçları karşılaşmalardaki sıralama puanlarına göre belirlense de, elde edilen derecelere göre de puanlama yapılıyordu. Thorpe kendinden sonra gelen Norveçli rakibi Ferdinand Bie’nin 400 puan önünde 4041.530 puan ile pentatlonda birinci geldi.
Pentatlonda altın madalya kazandığı gün, yüksek atlama finallerine katılmaya da hak kazandı. Finalde dördüncü olan Thorpe uzun atlamayı da yedinci olarak bitirdi. Thorpe’un son karşılaşması olan dekatlonda favori ev sahibi Hugo Wieslander idi. Ancak Thorpe’un karşısında varlık gösteremeyen Wieslander karşılaşmayı 700 puan geriden tamamladı. Thorpe on dalın dördünde birinci geldi.

O zamanki âdetlere göre madalyalar atletlere oyunların kapanış töreninde veriliyordu. İki altın madalyanın yanı sıra Thorpe dekatlon için İsveç Kralı V. Gustav ve pentatlon için Rus Çarı II. Nikolay tarafından verilen iki ayrı başarı ödülünü de kazandı. Kral Gustav’ın Thorpe’a ödülünü verirken "Bayım, siz dünya üzerindeki en büyük atletsiniz," dediği ve Thorpe’un da "Teşekkürler Kral" dediği söylenmektedir.

Thorpe'un başarısı ülkesinde de dikkatleri çekti ve dönüşünde New York şehrinin ünlü Broadway bulvarında konfetilerle karşılandı. Thorpe daha sonraları bu karşılamayı şöyle anlatmıştır: ""İnsanların çığlık çığlığa adımı haykırdıklarını duydum ve yalnızca bir kişinin nasıl bu kadar dostu olabileceğini anlayamadım.""

Thorpe, 1912 Olimpiyatlarında atletizmin yanı sıra ABD atletlerinden oluşan iki takımın yaptığı iki beyzbol gösteri karşılaşmasının birine de katılmıştır. Tüm dünyanın daha sonra öğreneceği üzere bu Thorpe’un beyzbolu ilk denemesi değildi.

1913 yılında, Olimpiyatlara katılan atletlerin amatör olması konusunda çok katı kurallar bulunmaktaydı. Yarıştıkları için para ödülü alanlar, spor öğretmenleri ve daha önce profesyonellere karşı yarışmış olanlar amatör sporcu sayılmıyor ve Olimpiyatlara katılmalarına izin verilmiyordu.
1913 Ocak ayının sonlarına doğru ABD gazeteleri, Thorpe’un daha önce profesyonel beyzbol oynadığı hakkındaki iddiaları yayımladılar. İlk olarak hangi gazetenin bu iddiayı gündeme getirdiği belli olmasa da bulunabilen en erken baskı "Providence Times" gazetesine aittir, ancak iddiaların önce "Worcester Telegram" gazetesinde yayımlandığından sözedilir. Hakikaten de Thorpe 1909 ve 1910 yıllarında Rocky Mount, Kuzey Carolina’da Doğu Carolina Ligi’nde profesyonel beyzbol oynamış ve bunun karşılığında da az miktarda para almıştır. College players, in fact, regularly spent summers playing professionally, but most, as opposed to Thorpe, used aliases.
Kamuoyu Thorpe’un geçmişiyle çok ilgilenmediyse de, Amatör Atletizm Birliği ("Amateur Athletic Union – AAU") ve özellikle Birliğin sekreteri James E. Sullivan bu olayı çok ciddiye almıştır. Thorpe Sullivan’a yarı-profesyonel olarak beyzbol oynadığını bildiren bir mektup göndermiştir:
...Yalnızca basit bir Yerli okul çocuğu olduğum ve böyle şeyler hakkında bir şey bilmediğim gerçeği nedeniyle kısmen mazur görülmeyi umuyorum. Hakikaten de yanlış bir şey yaptığımı bilmiyordum çünkü bildiğim birçok kolej öğrencisinin yaptığını yapıyordum ancak onlar kendi isimlerini kullanmamışlardı...

Mektubunun hiçbir faydası olmadı ve AAU geçmişe yönelik olarak Thorpe’un amatörlüğünü kaldırmaya karar verdi ve IOC’nin de aynı şekilde davranmasını önerdi. Aynı yıl içinde IOC oybirliğiyle Jim Thorpe’un tüm Olimpiyat madalyalarını, ödüllerini ve unvanlarını geri almayı kararlaştırdı ve onu profesyonel sporcu ilan etti.
Thorpe para karşılığında oynamış olsa da diskalifiye edilmesi kuraldışıydı. 1912 Olimpiyatları’nın kural kitapçığında herhangi bir karşı çıkmanın Oyunların kapanış töreninden sonra 30 gün içinde yapılması gerektiği belirtilmişti. İddiaların gazetelerde yayımlanması 1913 Ocak ayında yani Stokholm Oyunlarının bitişinden altı ay sonraya denk gelmektedir. AAU ve IOC görevlilerinin bu kuraldan haberi olmadığı ya da bilerek dikkate almadıkları anlaşılmaktadır. Ayrıca Olimpiyat Oyunlarından çok önce Thorpe’un amatör statüsünün sorgulandığı ancak 1913 yılında bu iddialarla karşı karşıya kalana kadar AAU tarafından dikkate alınmadığı hakkında bazı kanıtlar da bulunmaktadır.
Bu olayın Thorpe için tek olumlu yanı, profesyonel olduğunun ilanından sonra Amerika Ulusal Beyzbol Ligi’ndeki takımlardan teklifler almasıdır.

1913 yılında New York Giants beyzbol takımıyla anlaşan Thorpe üç sezon boyunca fasılalarla dış saha oyuncusu olarak görev yaptı. 1916 sezonunda hiç maça çıkmayan Thorpe 1917 yılında beyzbol oynamak için Giants takımına geri döndü ancak sezonun başlarında Cincinnati Reds takımına satıldı.,Aynı sezonun sonlarına doğru Giants takımına geri satılan Thorpe 1918 yılında da Giants takımında aralıklı olarak oynadı. 21 Mayıs 1919 tarihinde de Pat Ragan ile takas edilerek Boston Braves takımına katıldı. Sıradan bir beyzbol kariyeri geçiren Thorpe 91 sayı yaptı bunun 82’sini vurucu olarak yapmıştır ve 289 oyundaki vuruş ortalaması 0,252’dir. 1922 yılına kadar ikinci liglerdeki takımlarda beyzbol oynamaya devam etmiştir.
Aynı dönemde Thorpe Amerikan futbolunu da bırakmamıştır. 1915 yılında Canton Bulldogs takımıyla kontrat yapan Thorpe, maç başına o dönem için çok fazla sayılabilecek bir rakam olan 250 dolara anlaşmıştır. Başarılı olan takım 1916, 1917 ve 1919’da şampiyonluklar kazanmıştır. 1920 yılında Bulldogs takımı Amerikan Profesyonel Amerikan Futbolu Birliği’ni ("American Professional Football Association – APFA") oluşturan on dört takımdan biri olmuştur. Bu birlik iki yıl sonra Amerikan Ulusal Futbol Ligi’ne ("National Football League – NFL") dönüşmüştür. Thorpe, Canton takımında oynamaya ve aynı zamanda takımı çalıştırmaya devam ederken APFA’nın ilk başkanı seçilmiştir. 1921’den 1923’e kadar, Thorpe La Rue, Ohio’da tamamen Amerikan Yerlilerinden oluşan Oorang Indians takımı için oynadı. 
Thorpe 1920 ile 1928 yılları arasında altı değişik takım için oynadıysa da hiçbir şampiyonluk takımında yer alamamıştır. 52 NFL maçı oynadıktan sonra 41 yaşında iken profesyonel Amerikan futbolunu bırakmıştır.
Thorpe spor dünyasında aktif olmaya devam etti. Son zamanlarda basketbolda da kariyer yaptığına dair kanıtlar vardır. "Jim Thorpe ve Dünyaca Ünlü Yerlileri" adı altında iki yıl boyunca (1927-1928) New York, Pensilvanya ve Marion, Ohio’da kasaba kasaba dolaşmışlardır. Hayatının bu dönemine ait çok az kayda rastlanması nedeniyle 2005 yılına kadar Thorpe’un biyografisini yazanlar basketbol kariyerinden habersizdi.

Thorpe, Carlisle’da tanıdığı Iva Miller ile 1913 yılında evlendi. Çiftin dört çocuğu olmuştur: Jim Jr. (2 yaşında öldü), Gale, Charlotte ve Grace. Thorpe’un zaman zaman çok fazla içki içm