Sean Thornley spielte hauptsächlich auf der ATP Challenger Tour und der ITF Future Tour und er galt als Doppelspezialist. Er konnte 22 Doppelsiege auf der Future Tour feiern. Auf der Challenger Tour gewann jetzt im Jahr 2012 das Doppelturnier in Izmir und 2014 das Turnier in Tampere. Zum 17. Oktober 2011 durchbrach er die Top 200 der Weltrangliste im Doppel und seine höchste Platzierung war ein 160. Rang im September 2012.
Zweimal gelang Thornley die Qualifikation für ein Grand-Slam-Turnier. 2011 und 2012 spielte er jeweils in Wimbledon im Doppel. Beide Male verlor er die Auftakthürde mit seinem Partner David Rice. 2014 und 2015 verlor er in der zweiten Runde der Qualifikation desselben Turniers. 2015 spielte er sein letztes Profiturnier.