Boston Bruins
Thompson je v sezoni 1928-29 začel igrati v Nacionalni hokejski ligi (NHL). Pridružil se je moštvu Boston Bruins, saj je bostonski menedžer Art Ross odkupil njegovo pogodbo od Minnesote. To je storil, ker je slišal, da je Thompson zelo dober vratar.
Thompson je na svoji prvi tekmi dosegel shutout. Je edini vratar, ki je v Hokejski dvorani slavnih, ki je na svoji prvi tekmi dosegel shutout. I V svoji prvi sezoni je Thompson igral na vseh 44 tekmah Bostona. Dosegel je 12 shutoutov in ima povprečje prejetih golov na tekmo 1,15. V eni polni sezoni je povprečje prejetih golov na tekmo 1,15 drugo najnižje v zgodovini lige NHL. George Hainsworth ima v tej sezoni nižje povprečje prejetih golov na tekmo, in sicer 0,98, kar je najnižje povprečje prejetih golov na tekmo v eni celotni sezoni v zgodovini. Boston Bruins so bili na prvem mestu v ameriški diviziji in so se uvrstili v končnico. V playoffu so zmagali na vseh petih tekmah, saj so prvič osvojili Stanleyjev pokal. Na petih tekmah playoffa je Thompson dosegel tri shutoute, v playoffu pa je dal le tri gole. V tej sezoni sta v ligi NHL prvič igrala brata Cecil in Paul. Cecil in Paul sta med seboj igrala tudi v finalu Stanleyjevega pokala, kar je bilo prav tako prvič, da sta brata igrala drug proti drugemu.
V naslednji sezoni je Cecil spet igral na vseh 44 tekmah Bostona. Dosegel je tri izključitve in imel povprečje prejetih golov na tekmo 2,19. Thompson je imel veliko manj izključitev in veliko višje povprečje prejetih golov na tekmo, saj so se pravila spremenila tako, da so igralci v napadalnem območju lahko podajali naprej. V tisti sezoni je Boston zmagal na vseh tekmah razen na šestih in jo končal z izkupičkom 38-5-1, kar je najvišji odstotek zmag kateregakoli moštva v NHL v zgodovini. V playoffu so prvič v tej sezoni izgubili dve tekmi zapored. V finalu Stanleyjevega pokala so izgubili proti ekipi Montreal Canadiens. Na začetku končnice se je končal njegov niz zmag na prvih sedmih tekmah. To je še vedno najdaljši niz zmag na začetku kariere v playoffu. Thompson je v tej sezoni osvojil svojo prvo od štirih Vezinovih trofej.
V sezoni 1930-31 je spet odigral vseh 44 tekem in bil imenovan v drugo ekipo All-Star. V naslednji sezoni je Boston v polfinalu končnice izgubil proti Montrealu. Na drugi tekmi serije proti Montrealu je bil Thompson ob koncu tekme odstranjen iz mreže. To je bilo storjeno zato, da bi imel Boston šest napadalnih igralcev proti petim Montrealčanom. Več napadalnih igralcev je Bostonu omogočilo večje možnosti za doseganje zadetkov. Čeprav je Boston izgubil, je bila zamisel njegovega trenerja opisana kot "neverjetna".
V sezoni 1931-32 se Boston prvič ni uvrstil v končnico, ko je zanj igral Thompson. V tej sezoni je izpustil pet tekem, kar se mu je zgodilo edinkrat. Na 43 tekmah, ki jih je odigral, je Thompson dosegel le 13 zmag. V naslednji sezoni se je Boston znova uvrstil v končnico, vendar je izgubil proti ekipi Toronto Maple Leafs.
Zadnja tekma serije končnice proti Maple Leafs je bila opisana kot Thompsonova najboljša. Na tej tekmi sta bila Boston in Toronto po treh običajnih 20-minutnih tretjinah izenačena. Ker je bila tekma izenačena, se je nadaljevala v podaljšku. Po petih tretjinah po 20 minut je bila tekma ponovno izenačena. Ob koncu petega podaljška sta menedžerja Conn Smythe iz Maple Leafs in Art Ross iz Bruins prosila predsednika lige NHL Franka Calderja, naj tekmo prekine in jo dokonča pozneje. Calder je to zavrnil. Na začetku šestega podaljška je bila prestreljena podaja igralca Bostona Eddieja Shorea. Ken Doraty iz ekipe Maple Leafs se je podal v brejk, kar pomeni, da je imel plošček in je drsal proti vratom nasprotne ekipe, pri čemer med njim in Thompsonom ni bilo nobenega branilca. V šestem podaljšku je ob 4:46 dosegel zadetek Thompsona. Čeprav je izgubil tekmo, so mu navijači v dvorani Maple Leaf Gardens glasno zaploskali. Ta tekma je bila druga najdaljša v zgodovini lige NHL. Čeprav je Thompson v končnici izgubil več tekem kot zmagal, je končal s povprečjem 1,23 gola na tekmo.
V sezoni 1932-33 je Thompson prejel svojo drugo Vezinovo trofejo, saj je dosegel 11 zadetkov in imel povprečje 1,76 gola na tekmo. V naslednji sezoni je Boston izpustil končnico. V sezoni 1934-35 je Boston zasedel prvo mesto v ameriški diviziji. Thompson je bil že drugič izbran v drugo ekipo All-Star. Bruins so zmagali le na eni od štirih tekem v playoffu. Edino zmago je dosegel Thompson, ko je dosegel shutout. Odbojke je končal s povprečjem 1,53 prejetega gola na tekmo.
V sezoni 1935-36 je Thompson dosegel 10 zadetkov, vendar je Boston zmagal le na 22 od 48 tekem. V tej sezoni je Thompson opravil asistenco, kar pomeni, da je namenoma podal soigralcu, ki je dosegel gol, ker je od njega dobil plošček. V tistem času je bilo to zelo redko, da je to storil vratar. Ob koncu sezone je bil prvič imenovan v prvo ekipo All-Star. Prav tako je tretjič osvojil Vezinovo trofejo. V playoffu tiste sezone je bila serija Bostona proti ekipi Toronto Maple Leafs serija kontrastov. Boston je serijo na dve tekmi s skupnim številom golov izgubil z osmimi goli proti šestim. Na eni tekmi je Boston proti Torontu zmagal s 6:0, drugo tekmo pa izgubil z 8:0.
V sezoni 1937-38 je Thompson v moštvu Bruins odigral svojo zadnjo celotno sezono. Zmagal je na 30 od 48 tekem, vendar je Boston v play-offu ponovno izgubil proti Maple Leafs. Ob koncu sezone je osvojil svojo četrto in zadnjo Vezinovo trofejo ter bil drugič imenovan v prvo ekipo All-Star.
Detroit Red Wings
V sezoni 1938-39 je Thompson odigral le pet tekem, saj so se Bruins odločili, da ga zamenjajo s FrankomBrimsekom. Thompsona so zamenjali za Normieja Smitha in 15.000 dolarjev, da bi naredili prostor za Brimseka, in ga prodali Detroit Red Wings. Thompson je od Bostona prejel tudi 1000 dolarjev. Art Ross, še vedno vodja Bruinsov, je napovedal, da bo Thompson za Detroit igral še pet let, vendar je odigral le dve. Čeprav je Detroit izgubil več tekem kot zmagal, se je v obeh sezonah uvrstil v končnico, vendar ni osvojil Stanleyjevega pokala. Skupno je Thompson za Detroit nastopil na 85 tekmah rednega dela sezone, na katerih je dosegel 32-41-12, sedem shutoutov in 2,54 povprečno prejetih golov na tekmo, ter na 11 tekmah playoffa, na katerih je dosegel 5-6, en shutout in 2,41 povprečno prejetih golov na tekmo.