Birch var en barneskuespiller på 1990-tallet, og spilte i filmer som All I Want for Christmas (1991), Patriot Games (1992), Hocus Pocus (1993), Now and Then (1995) og Alaska (1996). Hun ble kjent i 1999 etter å få verdensomspennende oppmerksomhet og ros for sin opptreden i filmen American Beauty der hun hadde en nakenscene.
Birch spilte hovedrollen i den godt mottatte filmen Ghost World i 2001, som gav henne en Golden Globe-nominasjon. Hennes foreldre, som var hennes managere fra starten av hennes skuespillerkarriere, var også tidligere skuespillere, og begge dukket opp i den pornografiske filmen Deep Throat.
Birch er av tysk, jødisk, nordisk og italiensk opphav. Familiens opprinnelige etternavn var Biersch, og kommer fra hennes tyske forfedre som var jøder. Hennes fornavn, Thora, er avledet fra navnet på den norrøne guden for torden og lyn, Thor. Thora har en yngre bror som fikk navnet Bolt.
Birchs evne til å portrettere seg selv som en ung guttejente gjorde at hun fikk flere filmroller i perioden 1991-1995, inkludert rollen som Dani i filmen Hocus Pocus (1993). Hun fikk store roller i flere kjente filmer som All I Want for Christmas (1991) og Monkey Trouble (1994). Hun dukket opp i to Harrison Ford-filmer, først i Patriot Games (1992) og senere i oppfølgeren til denne filmen, Overhengende fare som kom ut i 1994.
I 1999, fikk Birch enorm kritikk for sin rolle som Jane Burnham i filmen American Beauty som ble nominert til prisen British Academy of Film and Television Arts. Filmen vant en Oscar for beste film, samme året. Fordi Birch var 16 år da hun var med i filmen, og dermed var å betrakte som mindreårig i USA, måtte foreldrene hennes godkjenne en kort scene der hun var toppløs. Foreldrene og representanter for barnearbeid var på filmsettet for innspillingen av denne korte scenen.
Birch har indikert at hun drømmer om å bli regissør, og har nylig begynt å regissere sine egne korte videoer sammen med en komediegruppe kalt The Doomed Planet. Videoene kan sees på hennes egen offisielle hjemmeside.
