Lea Katherine Thompson nació el 31 de mayo de 1961, en Rochester, Minnesota. Es la más joven de cinco hermanos. Sus padres se divorciaron cuando ella tenía seis años, su madre se encargó de la familia, cosa que no resultó fácil ya que era adicta al alcohol. Trabajaba tocando el piano y cantando en un bar para mantener a Lea y a sus hermanos. Lea mostró desde muy pequeña su interés en el baile, particularmente en el ballet.
Su primer papel fue como ratón en El Cascanueces. A los catorce años ya había actuado en más de 45 ballets en escenarios, como The Minnesota Dance Theatre, The Pennsylvania Ballet Company y The Ballet Repertory. Ganó becas para The American Ballet Theatre y The San Francisco Ballet. A los diecinueve años audicionó para Mikhail Baryshnikov, quien más tarde le dijo que era "una bailarina hermosa ... pero demasiado robusta". Fue en ese momento que decidió dedicarse a la actuación. Comenzó a trabajar como mesera, al mismo tiempo que hacía comerciales para Burger King y Twix.
Su primer papel fue en la película, Tiburón 3: El gran tiburón (1983), donde conoció a Dennis Quaid, quien se convirtió en su prometido y coach de actuación. Su siguiente papel fue en La clave del éxito (1983), junto a Tom Cruise, el director Michael Chapman estaba tan decepcionado con su actuación, que casi la despide. Entre 1983 y 1984 apareció en películas como Amanecer rojo (1984), Jóvenes alocados (1984) y El súper detective de las páginas amarillas (1985). Su gran oportunidad fue quizás Regreso al futuro (1985) que la convirtió en una de la actrices más buscadas. Eligió trabajar en Howard ... un nuevo héroe (1986), una producción de George Lucas que tuvo muchos problemas con la crítica y la carrera de Lea se vino abajo. Para sacarla de la mala racha, el director Howard Deutch le ofreció un papel en su película, Una maravilla con clase (1987), que en un principio rechazó pero después de que él insistiera lo reconsideró, terminaron enamorados y ella ganó el Young Artist Award como mejor actriz joven.
Participó en The Wizard of Loneliness (1988), Regreso al futuro II (1989) y en un episodio de Historias de la cripta (1989). Se casó con Howard Deutch y siguió con Regreso al futuro III (1990), Montana (1990) y Paro clínico (1992). Despúes de esto tomó un descanso para quedarse en casa con su primogénita, Madelyn Deutch.
Se integró nuevamente al trabajo con Daniel el travieso (1993) seguido de Rústicos en Dinerolandia (1993), Stolen Babies (1993), Una pandilla de pillos (1994) y Esposa suplente (1994). En 1994, tuvo a su segunda hija, Zoey Deutch.
Participó en La verdad silenciada (1995) y en la comedia de NBC, Los líos de Caroline (1995), por la que ganó un Premio People's Choice a la mejor actriz en una comedia de situación. Participó en Silencio legal (1996), The Unknown Cyclist (1998) y La fuerza del corazón (1998).
Su trabajo en teatro, incluye su actuación como Sally Bowles en Cabaret, Los monólogos de la vagina y For the People (2002). Ha protagonizado más de 30 largometrajes, 25 películas y 4 series de televisión y más de 20 ballets. Sus trabajos más recientes son Our People, Sierra Burgess Is a Loser, Little Women y Over the Hill.
