W roku 2000 trafił pod opiekę trenera Åsmund Martinsena. W tym samym roku Thorkildsen zdobył swój pierwszy medal w mistrzostwach Norwegii w kategorii seniorów. Uzyskując wynik 72,72, zajął drugie miejsce, przegrywając tylko z Ronnym Nilsenem. Jesienią 2000 roku podczas mistrzostw świata juniorów w Santiago wywalczył srebrny medal, rzucając na odległość 76,34. Rezultatem tym ustanowił nowy rekord swojego kraju w kategorii juniorów.