Wśród seniorów pierwsze medale zdobył w 1991 roku, zajmując drugie miejsce w biegu drużynowym i trzecie w sztafecie podczas mistrzostw świata w Lahti. Na rozgrywanych rok później mistrzostwach świata w Nowosybirsku reprezentacja Norwegii w składzie: Frode Løberg, Jon Åge Tyldum, Sylfest Glimsdal i Gisle Fenne wywalczyła kolejny srebrny medal w biegu drużynowym. Następnie zdobył srebrny medal w sprincie na mistrzostwach świata w Borowcu w 1993 roku. W zawodach tych rozdzielił na podium Niemca Marka Kirchnera i Rosjanina Siergieja Tarasowa. Kolejne dwa medale przywiózł z mistrzostw świata w Anterselvie w 1995 roku. Najpierw razem z Dagiem Bjørndalenem, Frode Andresenem i Halvardem Hanevoldem zwyciężył w biegu drużynowym, zdobywając pierwszy w historii złoty medal dla Norwegii w tej konkurencji. Dwa dni później Tyldum zajął drugie miejsce w biegu indywidualnym, przegrywając tylko z Polakiem Tomaszem Sikorą. Ostatni medal zdobył na mistrzostwach świata w Osrblie w 1997 roku, gdzie wraz z kolegami z reprezentacji zajął drugie miejsce w szfafecie.