Fille du réalisateur Gérard Oury et de l'actrice Jacqueline Roman, c'est tout naturellement que Danièle Thompson grandit dans le milieu du cinéma. Elle débute sa carrière de scénariste en 1966 en travaillant avec son père sur La Grande Vadrouille. Leur fructueuse collaboration se poursuivra avec Le Cerveau (1969), La Folie des grandeurs (1971) et Les Aventures de Rabbi Jacob (1973).

Après ces années d'apprentissage, elle commet une première "infidélité" aux comédies de son père en travaillant avec Jean-Charles Tacchella sur Cousin, cousine (1975), un film pour lequel ils sont nommés à l'Oscar du Meilleur Scénario en 1977. Elle y explore ce qui deviendra son thème de prédilection : la famille et ses travers. Un sujet qu'elle abordera aussi bien sur un ton dramatique (Ceux qui m'aiment prendront le train de Patrice Chéreau) que sur le ton de l'amusement (Les Marmottes d'Elie Chouraqui).

Parallèlement à ses succès "familiaux" avec Le Coup du parapluie (1980) et L'As des As (1982), Danièle Thompson parvient à installer Sophie Marceau dans le coeur des Français en écrivant pour Claude Pinoteau les deux volets de La Boum puis L'Etudiante en 1988. Nommée au César du Meilleur scénario en 1995 pour La Reine Margot, elle travaille également avec Alain Berberian (Paparazzi, 1998) et Gabriel Aghion (Belle Maman, 1999).

C'est en 1999 qu'elle tente l'aventure de la réalisation avec la comédie douce-amère La Bûche, nommée aux César de la Meilleure première oeuvre et du Meilleur scénario. Grâce à ce film choral co-écrit avec son fils Christopher Thompson, elle impose un style qui lui est propre, consistant à "tenir le spectateur entre un éclat de rire et une émotion". En 2002, elle réitère l'expérience de la mise en scène en dirigeant Jean Reno et Juliette Binoche dans la romance Décalage horaire.

Fidèle à la comédie de moeurs, elle s'offre également de prestigieux castings pour ses deux films suivants : Fauteuils d'orchestre (2006), exploration du milieu artistique parisien qui se voit citée à cinq reprises aux César, et Le Code a changé (2009), sur les coulisses d'une soirée entre amis. Quatre ans plus tard, elle réalise un nouveau film choral, Des gens qui s'embrassent, qui dépeint les affres de la famille, revenant ainsi sur un sujet qu'elle affectionne particulièrement.

En 2016, elle écrit et tourne le biopic Cézanne et moi, sur la relation tumultueuse entre Paul Cézanne (Guillaume Gallienne) et Emile Zola (Guillaume Canet).