1969 implementierte Thompson an den Bell Labs die erste Version des Unix -Betriebssystems in Assembler. Zusammen mit Dennis Ritchie erhielt er hierfür 1983 den Turing Award . Er designte außerdem die Programmiersprache B einen Vorgänger der Sprache C die noch heute zu den weltweit Programmiersprachen gehört. Später erfanden er und Rob ebenfalls an den Bell Labs das Betriebssystem Plan 9 .
Er schrieb auch Programme zur kompletten Analyse von Endspielen beim Schach . Die Ergebnisse dieser Arbeit kann man sog. Endspiel-CDs erwerben. Mit diesen Endspiel-Tabellen kann ein Schachprogramm für jede Stellung im Endspiel (gegenwärtig maximal 7 Figuren auf dem Brett) den optimalen Zug ermitteln und so "perfekt" spielen.
Thompson verließ die Bell Labs am 1. Dezember 2000 in den Ruhestand.