ב-1988 מונה בידי הנשיא רונלד רייגן ל, והוא המשיך לשרת בתפקיד זה גם בממשל הנשיא ג'ורג' הרברט ווקר בוש. ת'ורנברג הושבע לתפקידו לאחר שמינויו אושר פה אחד בידי הסנאט וכיהן סך הכל כשלוש שנים כתובע הכללי. במסגרת תפקידו הנהיג מאבק בפשעי צווארון לבן, ויצר קשרים עם רשויות אכיפת חוק במדינות אחרות כדי לסייע במאבק האמריקאי בסחר בסמים, הלבנת הון ופשעי טרור. במהלך כהונתו התדיין ת'ורנברג פעמיים בפני בית המשפט העליון של ארצות הברית וזכה בעתירותיו, מה שבנה לו מוניטין של תובע יעיל ואפקטיבי. הוא גם פיקח על ההשלכות המשפטיות של אסון הנפט של אקסון ואלדז ב-1989.