Dwukrotny złoty medalista igrzysk olimpijskich (Ateny 2004 oraz Pekin 2008). Mistrz (2009) oraz trzykrotny wicemistrz świata (2005, 2007 i 2011). W 2006 roku zdobył złoty medal i tytuł mistrza Europy, a sukces ten powtórzył cztery lata później podczas czempionatu w Barcelonie. Pierwsze sukcesy na arenie międzynarodowej odniósł, zdobywając w 2000 roku tytuł wicemistrza świata juniorów, oraz w 2001, zajmując 2. miejsce w mistrzostwach Europy juniorów. Odnosił zwycięstwa w pucharze świata (2006), pucharze interkontynentalnym (2010) oraz dwukrotnie w światowym finale lekkoatletycznym. Thorkildsen przez 10 lat był rekordzistą świata juniorów w rzucie oszczepem z wynikiem 83,87 m (7 czerwca 2001, Bergen). Podczas igrzysk olimpijskich w Pekinie rzutem na odległość 90,57 ustanowił rekord olimpijski. Rekord życiowy: 91,59 (2 czerwca 2006, Oslo). Rezultat ten jest aktualnym rekordem Norwegii oraz jednocześnie 9. wynikiem w historii światowej lekkoatletyki. Norweg jest pierwszym w historii oszczepnikiem, który posiada w dorobku zarówno tytuł mistrza olimpijskiego, mistrza Europy jak i mistrza świata.