Im folgenden Jahr lief Lorentzen bei der Sprintweltmeisterschaft in Seoul auf den 22. Platz und bei den Einzelstreckenweltmeisterschaften in Kolomna auf den 20. Rang über 1000 m. In der Saison 2016/17 erreichte er über 1000 m mit sieben Top-Zehn-Platzierungen den vierten Platz im Weltcup über 1000 m. Dabei kam er in Berlin erstmals mit den Plätzen drei und zwei jeweils über 1000 m im Weltcupeinzel aufs Podium. Im Januar 2017 wurde er bei der Mehrkampfeuropameisterschaft in Heerenveen Fünfter im Sprint-Mehrkampf. Im folgenden Monat belegte er bei den Einzelstreckenweltmeisterschaften in Gangwon den 22. Platz über 1500 m, den siebten Rang über 500 m und den sechsten Platz über 1000 m und gewann bei der Sprintweltmeisterschaft in Calgary die Silbermedaille. Zu Beginn der Saison 2017/18 holte er über 500 m in Heerenveen seinen ersten Weltcupsieg und errang dort zudem den dritten Platz über 1000 m und den zweiten Platz in der Teamverfolgung. Beim folgenden Weltcup in Stavanger siegte er über 500 m und über 1000 m und belegte in der Teamverfolgung erneut den zweiten Platz. Im weiteren Saisonverlauf wurde er in Calgary Dritter über 1000 m, und in Erfurt Zweiter über 1000 m und Erster über 500 m. Beim Saisonhöhepunkt, den Olympischen Winterspielen im Februar 2018 in Pyeongchang, gewann er Gold über 500 m, wobei er mit einer Zeit von 34,41 Sekunden einen neuen olympischen Rekord aufstellte. Vier Tage später holte er im Lauf über 1000 m knapp hinter Kjeld Nuis die Silbermedaille. Kurz darauf gewann er bei den Sprintweltmeisterschaften in Changchun seinen ersten WM-Titel. Beim Weltcupfinale in Minsk siegte er im Teamsprint und belegte über 1000 m den dritten Platz. Zum Saisonende gewann er den Gesamtweltcup und den Weltcup über 500 m. Im Weltcup über 1000 m wurde er Zweiter.