Thora Birch fait ses débuts au cinéma avec "Purple People Eater" (1988), puis enchaîne plusieurs rôles d’enfant actrice, notamment dans "Jeux de guerre" (1992), "Hocus Pocus : Les Trois Sorcières" (1993) et "Monkey Trouble" (1994). Elle se distingue ensuite dans "American Beauty" (1999), avant d’apparaître dans "Donjons et Dragons" (2000), "The Hole" (2001) et "Ghost World" (2001). Après une période plus discrète dans les années 2010, elle revient avec des films comme "Affairs of State" (2018), "The Last Black Man in San Francisco" (2019) et "Above Suspicion" (2019). Elle joue ensuite dans "13 Minutes" (2021), réalisé par Lindsay Gossling, ainsi que dans "The Chronology of Water" (2025), le premier long métrage de Kristen Stewart. Elle incarne Liz Murray dans le téléfilm Lifetime "Homeless to Harvard: The Liz Murray Story" (2003), un rôle qui lui vaut une nomination aux Primetime Emmy Awards. Elle rejoint ensuite la série AMC "The Walking Dead" (2019–2020). Elle passe aussi derrière la caméra avec le téléfilm "The Gabby Petito Story" (2022).