Thora Birch estreou no cinema com o filme "Um Alienígena do Barulho" (1988) e participou de diversos filmes como atriz mirim, incluindo "Jogos Patrióticos" (1992), "Abracadabra" (1993) e "Meu Pequeno Ladrão" (1994). Ela estrelou "Beleza Americana" (1999) e depois disso atuou em “Dungeons and Dragons” (2000), “O Buraco” (2001) e “Ghost World: Aprendendo a Viver” (2001). Birch participou de “Jogos do Poder” (2018), “O Último Homem Negro em São Francisco” (2019) e “Crime e Desejo” (2019) após reduzir sua participação em filmes ao longo da década de 2010. Ela também atuou em “13 Minutos” (2021), dirigido por Lindsay Gosling, e “A Cronologia da Água”(2025), a estreia de Kristen Stewart na direção. Birch interpretou Liz Murray no filme da Lifetime “Da Rua Para a Universidade” (2003), papel pelo qual foi indicada ao Primetime Emmy Award. Em seguida, estrelou a série de sucesso da AMC “The Walking Dead” (2019–2020). Birch estreou na direção com o telefilme “Homicídio nos EUA: Gabby Petito” (2022).