Si è affermata come una delle giovani attrici più richieste di Hollywood ed è spesso sulle copertine di riviste americane e internazionali come Teen Vogue, Seventeen, Nylon Mexico e Elle Canada, solo per citarne alcune. 

È stata vista nella commedia di successo della CBS Films L’A.S.S.O. nella manica, per cui ha vinto il Choice Villain ai Teen Choice Awards 2015. Ha esordito nella fortunata serie di Disney Channel Shake It Up (CeCe Jones), e ha continuato ad affascinare gli spettatori con Alvin Superstar durante le festività natalizie del 2015, seguito da Ratchet and Clank di Focus Features (Sylvester Stallone, John Goodman, Rosario Dawson). Ha girato la serie Freeform (Paige Townsen), basata sul romanzo Famous in Love, di Marlene King e il debutto in lingua inglese di Xavier Dolan, La morte e la vita di John F. Donovan con Jessica Chastain e Taylor Kitsch.

Nel 2014, Thorne è apparsa nel film di Walt Disney Studios, Una fantastica e incredibile giornata da dimenticare, e ha recitato al fianco di Adam Sandler e Drew Barrymore nel film della Warner Brothers Insieme per forza.

Oltre a Il sole a mezzanotte, con Patrick Schwarzenegger, ha preso parte in Boo! A Madea Halloween di Tyler Perry, la commedia horror The Babysitter diretta da McG, e You Get Me in cui recita e che ha prodotto. Nel 2017 è la protagonista di Amityville: Il risveglio. Nel 2018 è sul set di Break My Heart 1000 Times, di cui è protagonista, diretta da Scott Speer.

Thorne si presta spesso a cause vicine e care al suo cuore, tra cui l'iniziativa SMART Girls dei Boys and Girls Club, The Thirst Project e la Dyslexia Foundation. Il suo seguito sui social continua a crescere e ha oltre 18 milioni di follower su tutte le sue piattaforme di social media.

Il suo primo romanzo, "Autumn Falls", è stato pubblicato nel 2014 e il secondo episodio "Autumn's Kiss" nell'autunno del 2016.