I Paris-VM 2003 nådde Thorkildsen sin første internasjonale finale som seniorutøver. Han kastet 79,44 meter i kvalifiseringen, men skuffet litt med 77,75 meter i finalen og en 11.-plass totalt. Tidligere på året hadde han satt ny personlig rekord i et stevne i latviske Ventspils med 85,72 meter. I 2003 ble han norsk mester for andre gang med beskjedne 76,04 meter i Fredrikstad.