Родился в Оклахоме в семье шерифа в небольшом городе Эндарко. Отец Джима был азартным игроком. Он растратил казенные деньги, и был уволен со службы. Чтобы избежать ареста, отправился с семьей в Мексику. В течение 14 лет семья Томпсонов переезжала с одного нефтяного прииска на другой в надежде разбогатеть. Ничего не получилось. Отец Томпсона перенес инсульт, от которого не оправился уже до самой смерти.
Джим закончил университет Небраски. Работал на заводе и на нефтяных скважинах. Во время Великой депрессии он примкнул к федеральному писательскому проекту в Оклахоме. Их целью было издание путеводителей по штату. Во времена сухого закона Томпсон хорошо узнал мир гангстеров и коррумпированных чиновников. ставших впоследствии героями его книг. В 1931 году он женился и вступил в Коммунистическую партию.
Решение стать писателем было продиктовано необходимостью заработка. В 1941 году был опубликован первый роман писателя «Сейчас и на Земле». В 40-е годы Томпсон работал журналистом в «New York daily news» и «Los Angeles Times Mirror». В начале 50-х он попал в «черные списки» сенатора Маккарти за свою принадлежность к компартии. Он остался без работы. В эти годы он пишет автобиографию «Плохой парень» и роман «Алкоголики» (оба 1953), основанный на опыте собственных непростых отношений со спиртными напитками.
В конце 50-х Томпсон был приглашен в Голливуд Стенли Кубриком. Он стал соавтором двух сценариев этого режиссера. Многие романы самого Томпсона также были экранизированы.
Сам писатель так охарактеризовал свое творчество:
Перенеся ряд апоплексических ударов, Томпсон скончался 7 апреля 1977 года.