Fraser-Pryce, de 29 años, aspiraba a convertirse en la primera mujer en ganar tener oros en la misma competencia, pero llegó de tercera tras registrar un tiempo de 10,86.
La estadounidense Tori Bowie ganó la medalla de plata e hizo un tiempo de 10,83.
La estrella holandesa Dafne Schippers, que era otra de las favoritas para alzarse con el título olímpico, terminó en la quinta posición tras hacer el recorrido en 10,90.
Schippers había llegado en segunda posición, detrás de Fraser-Pryce, en los Campeonatos Mundiales de Atletismo de 2015 que se disputaron el Pekín.
“Cuando crucé la meta y vi que estaba sola, no sabía cómo celebrar”, dijo Thompson.
Mientras que su compañera de equipo, Fraser-Pryce señaló: “Lo que me hace más feliz es que el título de los 100 metros se queda en Jamaica. Estaré en el podio con mi compañera de entrenamiento. Estoy orgullosa de Jamaica”.
Fraser-Pryce se convirtió en 2015 en la primera mujer en ganar tres medallas de oro en los Campeonatos Mundiales de Atletismo en la prueba de los 100 metros planos. al imponerse categóricamente en la final disputada en Pekín.