Polityk W 1994 został kandydatem Partii Republikańskiej na senatora ze stanu Tennessee. Zwyciężył w wyborach, pokonując demokratycznego kongresmena Jima Coopera znaczną przewagą głosów. Były to wybory przedterminowe, na okres wygaśnięcia mandatu zajmowanego poprzednio przez Ala Gore’a, który został wybrany wiceprezydentem w 1992. Thompson został wybrany na pełną, sześcioletnią kadencję w 1997.
Zasiadał w Senacie od 2 grudnia 1994 do 3 stycznia 2003. W latach 1997–2001 przewodniczył komisji ds. rządowych Senatu. Nie ubiegał się o reelekcję w 2002.
Aczkolwiek został wybrany na fali „konserwatywnej rewolucji”, należał do umiarkowanych republikanów, czemu dał wyraz np. opowiadając się przeciwko impeachmentowi prezydenta Billa Clintona.
Powrót do aktorstwa i inna aktywność Pewien czas przed końcem swej kadencji Thompson przyjął rolę prokuratora okręgowego w Law and Order, co sprawiło iż był pierwszym urzędującym senatorem, który jednocześnie zajmował się aktorstwem.
Prócz tego pracował jako ekspert ds. bezpieczeństwa narodowego. W 2005 był specjalnym doradcą prezydenta George’a W. Busha przy wyborze Johna Glovera Robertsa na sędziego i prezesa Sądu Najwyższego.