Thornton přišel do San Jose v listopadu 2005 poté, co byl vyměněn z Bostonu. V téže sezoně získal Hart Trophy pro nejužitečnějšího hráče a Art Ross Trophy pro nejproduktivnějšího hráče NHL, když nasbíral 29 gólů a 96 asistencí (125 bodů). V dresu Sharks odehrál 15 sezon, z toho čtyři roky zastával roli kapitána.
Kanaďan je klubovým rekordmanem v počtu asistencí (804). Druhý je v počtu bodů (1055), třetí v počtu odehraných zápasů (1104) a čtvrtý v počtu hitů (251). Po Patricku Marleauovi (číslo 12) se stane druhým hráčem v historii Sharks, jehož dres bude vyvěšen u stropu domácí arény.
"Byla to čest a privilegium hrát v NHL 24 sezon. Když jsem přišel do San Jose, cítil jsem, že je to můj skutečný domov," prohlásil Thornton. "Zamiloval jsem si zdejší oblast a lidi. S logem Sharks na hrudi jsem prožil nejlepší roky své kariéry," dodal populární "Jumbo Joe" pro nhl.com.
Klub z Kalifornie se během jeho působení dostal do play off až na dvě výjimky pokaždé. Thornton nasbíral 115 bodů ve 144 zápasech play off a pomohl týmu čtyřikrát postoupit do finále konference a jednou až do finále play off (2016), v němž Sharks nestačili na Pittsburgh.
Svou hráčskou kariéru ukončil v týmech Floridy (2020/21) a Toronta (2021/22). V historických ligových statistikách mu patří šesté místo v počtu odehraných zápasů (1 714), sedmé v počtu asistencí (1 109) a třinácté v počtu bodů (1 539).
Úspěchy zažil i v národním týmu - získal zlato na zimních olympijských hrách 2010 ve Vancouveru a stříbro na mistrovství světa 2005 v Rakousku. S kanadským týmem také dvakrát triumfoval na Světovém poháru v Torontu (2004 a 2016) a ještě v mládežnických letech získal zlato na juniorském mistrovství světa 1997 ve Švýcarsku.