2011-12賽季
2011年NBA選秀，克萊·湯普森在首輪第11位被金州勇士隊選中。
2012年5月23日，NBA官方公布了2011-12賽季最佳新秀陣容入圍名單，勇士新秀克萊·湯普森入選第壹陣容。
2012-13賽季
2013年2月8日，NBA公布了2013年休斯頓全明星周末“新秀挑戰賽”參賽名單，勇士隊的克萊·湯普森入選“沙克隊”。
2013年5月7日，在季後賽半決賽勇士客場對陣馬刺的比賽中，克萊·湯普森出場32分鐘，貢獻19分5次助攻3個籃板2個搶斷，在第四節6犯離場。
2013年5月9日，在季後賽半決賽勇士客場對陣馬刺的比賽中，克萊·湯普森出戰47分鐘，狂砍34分14個籃板，職業生涯首次得到30+10兩雙數據，其中8個三分球也刷新了勇士隊史季後賽單場三分球命中數紀錄，幫助勇士100-91擊敗對手，將大比分扳成1-1平，同時勇士也終結了客場對馬刺30連敗的尷尬紀錄。
2013-14賽季
2013年10月31日，勇士在2013-14賽季揭幕戰中以125-94大勝湖人，克萊·湯普森在31分鐘的出場時間內19投15中，三分球7投5中得到職業生涯新高的38分。
2013年12月12日，在勇士對陣小牛的比賽中，克萊·湯普森命中了第400個三分球，成為勇士隊歷史上第七位能夠投中400個三分球的球員。
2014年3月5日，依靠克萊·湯普森在比賽還剩0.6秒的時候完成了壹記後仰絕殺，勇士以98-96險勝步行者。湯普森上場41分鐘，得到25分5籃板2助攻。
2014年3月13日，在勇士98-111負於快船的比賽中，克萊·湯普森命中了4個三分，從而使生涯三分命中數達到500個，成為NBA歷史上首位生涯前3個賽季就命中500個三分的球員。
2014-15賽季
2014年11月1日，勇士隊和後衛克萊·湯普森達成了壹份為期4年的頂薪續約合同，價值約7000萬美元。
2014年11月2日，在勇士以127-104擊敗湖人的比賽中，克萊·湯普森得到了生涯新高的41分，湯普森總***命中了5個三分球，這讓他的生涯三分球命中數達到了552個，超越了拉特雷爾·斯普雷威爾（551個），排名隊史三分球命中數第5位。
2014年11月4日，克萊·湯普森當選西部周最佳球員。
2014年11月10日，勇士客場挑戰太陽，克萊·湯普森因為右手扭傷缺席本場比賽，生涯首次因傷缺陣。
2015年1月13日，克萊·湯普森當選西部周最佳球員，這是湯普森職業生涯第二次獲得周最佳。
2015年1月18日，勇士客場131-106狂勝火箭，克萊·湯普森出場31分鐘，15投9中，拿到27分5個籃板5次封蓋，刷新職業生涯單場蓋帽紀錄，成為自2007年拜倫·戴維斯之後首位單場送出5次封蓋的勇士後衛。
2015年1月24日，勇士主場迎戰國王，克萊·湯普森在第三節13投全中轟下37分，創NBA歷史個人單節得分新高，超越了卡梅隆·安東尼和“冰人”喬治·格文***同保持的33分的NBA單節得分紀錄，同時單節9記三分也創下了NBA歷史個人單節投進三分球的新紀錄。全場比賽，湯普森打了33分鐘，25投16中，三分球15投11中，罰球10投9中，拿到52分5次助攻，幫助勇士126-101戰勝對手。
2015年1月27日，克萊·湯普森當選西部周最佳球員。
2015年1月30日，NBA官方公布2015年全明星替補陣容名單，克萊·湯普森入選西部替補陣容。
2015年2月5日，勇士主場128-114戰勝小牛，勇士控衛斯蒂芬·庫裏命中10記三分轟下51分生涯第二高分。這也是繼隊友克萊·湯普森在12天前對陣國王時砍下52分後，勇士隊內又壹次有球員得分超過50分，庫裏和湯普森是自1994-95賽季後首次有同隊球員在壹個賽季都砍下50分。
2015年2月6日，NBA官方正式公布參加2015年全明星三分球大賽的名單，克萊·湯普森入選。
2015年2月12日，2015年全明星賽西部隊主帥史蒂夫·科爾宣布，克萊·湯普森和詹姆斯·哈登頂替因傷無法參賽的科比·布萊恩特和布雷克·格裏芬，***同作為首發出場。
2015年2月21日，在勇士戰勝馬刺的比賽中，克萊·湯普森投中3個三分球，職業生涯三分球命中數達到703個，從而超過傑森·理查德森（700個），升至隊史三分榜第二位。
2015年3月9日，勇士主場106-98戰勝快船，克萊·湯普森三分球5投3中，職業生涯三分總數達到728個，超越史蒂夫·科爾和約翰·薩爾蒙斯，排在NBA三分球命中數榜單的第138位。
2015年4月14日，勇士主場111-107戰勝灰熊，克萊·湯普森上場30分鐘得到42分，成為勇士隊史上第壹位在上場時間不超過30分鐘的情況下，得分超過40分的球員。湯普森本場比賽的42分也是他2014-15賽季第四次單場得分過40，僅次於詹姆斯·哈登（10次）和拉塞爾·威斯布魯克（9次）。
2015年5月21日，NBA官方宣布了2014-15賽季最佳陣容，克萊·湯普森入選最佳陣容第三陣容。
2015年6月17日，勇士以總比分4-2戰勝騎士，獲得2014-15賽季NBA總冠軍。
2015-16賽季
2015年11月10日，勇士對陣活塞，克萊·湯普森命中個人職業生涯的第800記三分球，成為斯蒂芬·庫裏之後勇士隊第二個生涯三分球命中數達到800+的球員。
2015年12月9日，勇士對陣步行者，克萊·湯普森全場得到39分7個籃板及6次助攻，其中三分球16投10中，成為NBA歷史上自J.R.史密斯和斯蒂芬·庫裏之後，第三位職業生涯能夠多次單場投入至少10個三分球的球員。
2016年1月6日，勇士客場109-88大勝湖人，克萊·湯普森全場得到36分，其中首節得到22分，職業生涯第4次單節得分20+。此外，湯普森職業生涯總得分突破6000分大關，達到6030分。
2016年1月29日，NBA官方公布2016年全明星正賽替補名單，克萊·湯普森入選西部替補陣容，加上斯蒂芬·庫裏和德雷蒙德·格林，自1976年之後勇士第壹次有3人同時入選全明星。
2016年2月5日，NBA官方公布2016年多倫多全明星三分球大賽參賽名單，克萊·湯普森入選。
2016年2月10日，勇士主場123-110戰勝火箭，克萊·湯普森全場三分7投全失，創職業生涯單場比賽三分最鐵紀錄。
2016年2月11日，勇士客場112-104擊敗太陽，克萊·湯普森全場得到24分5搶斷，追平職業生涯單場搶斷紀錄，幫助勇士以48勝4負創NBA歷史賽季前52場比賽最佳戰績，原紀錄是76人（1966-67賽季）和公牛（1995-96賽季）***同保持的47勝5負。
2016年2月14日，在全明星三分大賽決賽中，克萊·湯普森得到27分，獲得三分大賽的冠軍，27分也追平了隊友斯蒂芬·庫裏在2015年創下的三分大賽改制以後的紀錄，二人成為NBA歷史上第壹對連續拿到三分球大賽冠軍的隊友。
2016年3月13日，勇士123-116擊敗太陽，克萊·湯普森出場37分鐘，得到20分6個籃板3個助攻，其中三分球8投3中，職業生涯三分球命中數達到991個，超過喬·杜馬斯（990個），和斯蒂芬·馬布裏並列排在NBA歷史三分球命中數第87位。
2016年3月19日，勇士客場130-112擊敗小牛，克萊·湯普森全場得到39分6籃板2助攻，其中三分球15投10中，職業生涯三分命中數達到1008個，成為聯盟歷史上第85位至少投進1000個三分球的球員，並以372場比賽投進1000個三分球的速度，成為聯盟歷史上繼斯蒂芬·庫裏（369場）之後第二快達到如此成就的球員。
2016年3月28日，勇士主場117-105戰勝76人，克萊·湯普森出場38分鐘，得到40分2籃板1蓋帽，職業生涯首次連續兩場比賽得分都到達了至少40分。
2016年3月29日，克萊·湯普森當選西部周最佳球員，賽季首次、職業生涯第4次獲得周最佳榮譽。
2016年4月11日，勇士主場主場125-104戰勝灰熊，克萊·湯普森全場得到16分，其中三分球10投4中，賽季三分球命中數累計達到276個，超越隊友斯蒂芬·庫裏（2012-13賽季，272個），排名升至歷史第三。克萊幫助勇士隊以73勝9負的常規賽戰績，打破公牛在1995-96賽季創下的紀錄（72勝10負），成為NBA歷史單賽季常規賽戰績最好的球隊。