Geboren 1940 in Logan Utah, schloß Kip Thorne das Caltech 1962 mit einem B. S. ab und erhielt 1965 einen Ph. D. von der Princeton University. Nach zweijähriger Probezeit kehrte Thorne 1967 an das Caltech als Associate Professor zurück, wurde 1970 zum Professor für Theoretische Physik ernannt, erhielt 1981 die William R. Kenan, Jr. Professur und 1991 die Feynman Professur für Theoretische Physik.

Die Forschungsschwerpunkte von Kip Thorne sind Gravitationsphysik und Astrophysik und dabei insbesondere Schwarze Löcher und Gravitationswellen. Ende der 60er und Anfang der 70er Jahre legte er die Grundlagen für die Theorie der Pulsationen Relativistischer Sterne und der Gravitationswellen, die sie aussenden. In den 70ern und 80ern entwickelte er hauptsächlich den mathematischen Formalismus, mit dem Astrophysiker die Entstehung von Gravitaitonswellen analysieren, und er arbeitete eng zusammen mit Wissenschaftlern, die neue technische Ideen und Vorstellungen für die Entdeckung der Gravitationswellen entwickelten. Er ist der Mitbegründer (mit R. Weiss und R. W. P. Drever) des LIGO Projekts (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), seit Mitte der 80er Jahre haben er und seine Forschungsgruppe die theoretische Basis dafür geliefert.

Mit Carlton M. Caves erfand Thorne den rückreaktionsvermeidenden Zugang zu störungsfreien Quantenmessungen. Mit Anna Zytkow sagte er die Existenz von Roten Überriesen mit Neutronensternkernen ("Thorne-Zytkow Objekte" oder "TZOs") voraus. Gemeinsam mit Studenten und Kollegen entwickelte er das Membranparadigma für Schwarze Löcher und nutze es, um den Mechanismus zu erklären, mit dem Schwarze Löcher Quasare mit Energie versorgen können. Er hat zudem neuartige Gedankenexperimente in die Theoretische Physik eingeführt, die danach fragen, "welche Grenzen die Gesetze der Physik den Aktivitäten einer beliebig (hoch)entwickelten Zivilisation setzen?". Zusammen mit Kollegen hat er ein solches Gedankenexperiment genutzt, um falschverstandene Besonderheiten physikalischer Gesetze, die bestimmen, ob die Natur klassische Wurmlöcher und Zeitmaschinen erlaubt, zu identifizieren. Er hat aufgezeigt, wie diese Fragen mißverstandene Gesetze der Quantengravitation erhellen können und hat einen universellen physikalischen Mechanismus (explosives Wachstum der Vakuumpolarisierung von Quantenfeldern) herausgefunden, der rückwärtsgerichtete Zeitreisen stets verhindern kann.

Thorne hat über 30 Doktoranden betreut, von denen später viele führend in der Welt in ihrem Forschungsgebiet geworden sind. Thorne hat gemeinsam mit John A. Wheeler und Charles W. Misner 1973 das Lehrbuch Gravitation, aus dem die heutige Wissenschaftsgeneration die allgemeine Relativitätstheorie lernt, geschrieben. Er ist auch Co-Autor von Gravitation Theory and Gravitational Collapse (1965) und Black Holes: The Membrane Paradigm (1986) sowie Autor von Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy (1994, auch in deutsch unter dem Titel "Gekrümmter Raum und verbogene Zeit: Einsteins Vermächtnis" erschienen).

Thorne wurde 1972 in die American Academy of Arts and Sciences und 1973 in die National Academy of Sciences aufgenommen. Er erhielt 1981 die Ehrendoktorwürde der Moskauer Staatlichen Universität (UdSSR) und errang den Lilienfeld Preis der American Physical Society (1996), die Karl Schwarzschild Medaille der Deutschen Astronomischen Gesellschaft (1996), zweimal: 1969 und 1994, den American Institute of Physics Science Writing Award in Physics and Astronomy und den Phi Beta Kappa Science Award (1994). Er war Woodrow Wilson Fellow, Danforth Foundation Fellow, Fulbright Fellow und Guggenheim Fellow; und er arbeitete im International Committee on General Relativity and Gravitation mit, dem Komitee für US-UdSSR Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Physik und dem National Academy of Science’s Space Science Board, der die NASA und den Kongreß zu Fragen der Weltraumwissenschaftspolitik beraten hat.