Thora Birch è nata a Los Angeles, come figlia maggiore di Jack Birch e Carol Connors. Entrambi i genitori (che sono anche, a tutt'oggi, i suoi manager) sono stati attori di film pornografici e la madre è apparsa anche nel celebre Gola profonda. La Birch è di origini ebraiche, tedesche, scandinave e italiane; il suo cognome originario, "Biersch", deriva infatti dai suoi antenati ebrei tedeschi. L'insolito nome "Thora" è una versione femminile di "Thor", nome del dio del tuono secondo la mitologia nordica.

Fin dalla più tenera età, i genitori la hanno spinta a presentarsi alle audizioni per interpretare spot pubblicitari; tra quelli da lei girati vi sono spot per compagnie quali Quaker Oats. Nel 1988 ebbe il suo primo vero ruolo da attrice, interpretando Molly nella serie televisiva di breve durata Day by Day, in cui era accreditata semplicemente come "Thora". In quello stesso anno ebbe un ruolo importante nel film Purple People Eater, assieme a Ned Beatty e Neil Patrick Harris, per il quale vinse uno Youth in Film Award.

Il ruolo che segnò una svolta fu quello del "maschiaccio" Billie Pike nel film La strada per il paradiso (1991), che aveva tra gli altri interpreti anche Melanie Griffith, Don Johnson e Elijah Wood. Per ottenere il ruolo, Birch dovette competere con oltre 4000 giovani presentatesi alle audizioni; ottenne grandi lodi per la sua interpretazione e un trampolino di lancio per la sua futura carriera.

L'abilità di Thora nell'impersonare parti da maschiaccio le fece ottenere numerose parti in questo periodo, in film come Hocus Pocus (1991), Caro Babbo Natale (All I Want for Christmas, 1991) e Il mio amico zampalesta (Monkey Trouble, 1994), così come in due blockbuster hollywoodiani, Giochi di potere (Patriot Games, 1992) e il suo seguito Sotto il segno del pericolo (Clear and Present Danger, 1994), entrambi con Harrison Ford.

La sua performance nel film Amiche per sempre (Now and Then), del 1995, è considerata a oggi una delle migliori della sua carriera. Questo film, una sorta di Stand by Me al femminile, in cui recitarono anche Christina Ricci, Demi Moore, Melanie Griffith e Gaby Hoffmann, racconta di quattro amiche la cui unica occasione di ritrovarsi è rappresentata dal parto di una di loro, situazione che le porta a ricordarsi l'inizio della loro amicizia nell'estate del 1970, quando erano dodicenni e iniziavano a decidere cosa fare delle loro vite.

Nel 1996 la Birch gira Alaska, film d'avventura che ne consolida la fama di una delle migliori attrici bambine della sua generazione.