Grupa Pussycat Dolls odniosła światowy sukces w 2005 r. ze swoim albumem PCD, który zadebiutował na 5 miejscu zestawienia U.S. Billboard 200 Chart. Z debiutanckiego albumu grupy pochodzą takie hity jak "Don't Cha", "Buttons" i "Stickwitu", który otrzymał nominacje do nagrody Grammy. Po odejściu Carmit Bachar zespół kontynuował swoją działalność i wydał swój drugi album Doll Domination, który zawierał takie hity jak "When I Grow Up", "I Hate This Part", "Jai Ho! (You Are My Destiny) i "Hush, Hush;Hush, Hush". Thornton jest jedyną członkinią Pussycat Dolls, która miała na Doll Domination całkowicie samodzielne partie w piosenkach, bez żadnego udziału Nicole Scherzinger. Słychać ją w chórkach i ad libitum w wielu piosenkach, a w piosenkach "Elevator" i "Painted Windows" dzieli partie z Nicole Scherzinger. Utworach "Takin' Over The World" i "Love The Way You Love Me" śpiewa drugorzędne partie. Nagrała także solową piosenkę "Space", która znalazła się na deluxe edition Doll Domination.
Jak na razie Thornton twierdzi, że Pussycat Dolls mają przerwę, mimo że z zespołu odeszły: Ashley Roberts, Kimberly Wyatt i Jessica Sutta.