Boston Bruins
Thompson hakkas National Hockey League'is (NHL) mängima hooajal 1928-29. Ta liitus Boston Bruinsiga, kuna Bostoni mänedžer Art Ross ostis tema lepingu Minnesotas. Ta tegi seda, sest oli kuulnud, et Thompson on väga hea väravavaht.
Oma esmakordses mängus tegi Thompson väljalangemise. Ta on ainus väravavaht, kes on Hockey Hall of Fame'is, kes on teinud oma esimeses mängus shutouti. I Oma esimesel hooajal mängis Thompson kõigis Bostoni 44 mängus. Ta tegi 12 shutouti ja tema väravate keskmine on 1,15. Ühe terve hooaja jooksul on 1,15 väravate keskmine on NHL-i ajaloo suuruselt teine madalaim. George Hainsworthil on sel hooajal madalam väravate-kahjumite keskmine 0,98, mis on kõigi aegade madalaim väravate-kahjumite keskmine terve hooaja jooksul. Boston Bruins oli Ameerika divisjonis esikohal ja jõudis playoffi. Playoffides võitsid nad kõik oma viis mängu, kuna võitsid esimest korda Stanley Cupi. Viies playoff-mängus tegi Thompson kolm shutouti ja andis playoffide jooksul vaid kolm väravat. Sel hooajal mängisid kaks venda, Cecil ja Paul, esimest korda NHL-is üksteise vastu. Cecil ja Paul mängisid üksteise vastu ka Stanley Cupi finaalis, mis oli samuti esimene kord, kui vennad üksteise vastu mängisid.
Järgmisel hooajal mängis Cecil taas kõigis Bostoni 44 mängus. Ta tegi kolm väravasöötu ja tema keskmine väravate arv oli 2,19. Thompson tegi palju vähem väravaid ja palju kõrgemat väravate keskmist, sest reegleid muudeti nii, et mängijatel lubati ründealas edasi passida. Sel hooajal võitis Boston kõik mängud peale kuue, lõpetades 38-5-1, mis on kõigi aegade kõrgeim võiduprotsent NHL-i meeskonnast. Playoffides kaotasid nad sel hooajal esimest korda kaks mängu järjest. Stanley Cupi finaalis kaotasid nad Montreal Canadiens'ile. Varem playoffides lõppes tema esimese seitsme mängu võitude seeria. See jääb pikimaks võiduseeriaks playoff-karjääri alguses. Thompson võitis sel hooajal oma esimese neljast Vezina Trophy'st.
Hooajal 1930-31 mängis ta taas kõik 44 mängu ja nimetati teise All-Stari meeskonda. Järgmisel hooajal kaotas Boston playoffide poolfinaalis Montreali vastu. Sarja teises mängus Montreali vastu eemaldati Thompson mängu lõpu lähedal võrku. Seda tehti nii, et Bostonil oleks kuus ründavat mängijat Montreali viie vastu. Suurema arvu ründemängijate olemasolu andis Bostonile suurema võimaluse skoorida. Kuigi Boston kaotas, kirjeldati nende treeneri ideed kui "hämmastavat".
Hooajal 1931-32 ei mänginud Boston esimest korda playoffides, kui Thompson nende eest mängis. Ta jättis sel hooajal viis mängu vahele, mis oli ainus kord, kui see temaga juhtus. 43 mängus, mida ta mängis, võitis Thompson vaid 13 mängu. Järgmisel hooajal jõudis Boston taas playoffi, kuid kaotas Toronto Maple Leafsile.
Playoff-sarja viimast mängu Maple Leafsi vastu nimetati Thompsoni parimaks. Selles mängus olid Boston ja Toronto pärast kolme tavapärast 20-minutilist perioodi võrdsed. Kuna mäng oli tasavägine, läks see pikemaks ajaks edasi. Pärast viit 20-minutilist perioodi oli mäng tasavägine. Viienda lisaaja lõpus palusid Maple Leafsi juhid Conn Smythe ja Art Ross Bruinsist NHL-i presidendil Frank Calderil mäng katkestada ja lõpetada see hiljem. Calder keeldus. Kuuenda lisaaja alguses püüti Bostoni mängija Eddie Shore'i sööt kinni. Ken Doraty Maple Leafsist läks breakaway'le, mis tähendab, et tal oli ketas ja ta uisutas teise meeskonna värava suunas, ilma et ükski kaitsja oleks tema ja Thompsoni vahel olnud. Ta lõi Thompsonile värava kuuenda lisaaja 4:46 juures. Kuigi ta kaotas mängu, aplodeerisid Maple Leaf Gardens'i fännid talle valjuhäälselt. See mäng oli kõigi aegade teine pikim NHL-is mängitud mäng. Kuigi Thompson kaotas playoffides rohkem mänge kui võitis, lõpetas ta 1,23 värava keskmisega.
Thompson sai oma teise Vezina Trofee hooajal 1932-33, tehes 11 väravasöötu ja saades 1,76 värava vastu keskmiselt. Järgmisel hooajal jäi Boston playoffidest välja. Hooajal 1934-35 oli Boston Ameerika divisjoni esimene. Thompson valiti teist korda teise All-Stari meeskonda. Bruins võitis neljast playoff-mängust vaid ühe. Nende ainus võit tuli, kui Thompsonil oli shutout. Ta lõpetas playoffid 1,53 väravate keskmisega.
Hooajal 1935-36 tegi Thompson 10 väravasöötu, kuid Boston võitis 48 mängust vaid 22. Selle hooaja jooksul tegi Thompson ühe assisti, mis tähendab, et ta andis sihilikult söödu meeskonnakaaslasele, kes lõi värava, kuna sai temalt korvi kätte. Tol ajal oli see väga haruldane, et väravavaht seda tegi. Hooaja lõpus nimetati ta esmakordselt Esimese All-Stari meeskonda. Samuti võitis ta kolmandat korda Vezina Trophy. Selle hooaja playoffides oli Bostoni seeria Toronto Maple Leafsi vastu kontrastide seeria. Boston kaotas kahe mängu kokkuvõttes kaheksa väravaga kuue vastu. Ühes mängus võitis Boston Toronto 6:0, kuid teises mängus kaotas ta 8:0.
1937-38 mängis Thompson oma viimase terve hooaja Bruinsis. Ta võitis 48 mängust 30, kuid Boston kaotas playoffides taas Maple Leafsile. Hooaja lõpus võitis ta oma neljanda ja viimase Vezina Trophy ning nimetati teist korda esimese All-Stari meeskonda.
Detroit Red Wings
Thompson mängis hooajal 1938-39 vaid viis mängu, sest Bruins otsustas ta asendada FrankBrimsekiga. Et Brimsekile ruumi teha, vahetati Thompson Detroit Red Wingsi vastu Normie Smithi ja 15 000 dollari eest. Thompson sai Bostonilt samuti 1000 dollarit. Art Ross, kes oli endiselt Bruins'i mänedžer, ennustas, et Thompson mängib Detroitis veel viis aastat, kuid ta mängis vaid kaks aastat. Kuigi Detroit kaotas rohkem mänge kui võitis, jõudsid nad mõlemal hooajal playoffi, kuid Stanley Cupi ei võitnud. Kokku mängis Thompson Detroiti eest 85 korralise hooaja mängus, mille tulemuseks oli 32-41-12, seitse väravasöötu ja 2,54 väravate keskmine, ning 11 playoff-mängus, mille tulemuseks oli 5-6, üks väravasööt ja 2,41 väravate keskmine.