Il contribue grandement à la qualification du Danemark pour la coupe du Monde 2002 avec plusieurs buts, notamment en donnant la victoire à son équipe face à la République tchèque le 2 juin 2001 (2-1) ou encore contre la Bulgarie le 5 septembre de la même année en réalisant un doublé (0-2 pour le Danemark). Tomasson se montre tout aussi efficace lors du mondial 2002 où il se met en évidence dès le premier match contre l'Uruguay en marquant les deux buts de son équipe (victoire 1-2 des Danois). Il marque encore deux buts dans la phase de groupe, contre le Sénégal (1-1) et face à la France, contribuant à la victoire des siens (2-0). Le Danemark termine premier de son groupe lors de ce tournoi mais est battu par l'Angleterre en huitième de finale. Tomasson est l'un des meilleurs buteurs de cette coupe du Monde avec 4 réalisations, seulement devancé par Ronaldo (8 buts), Miroslav Klose (5 buts) et Rivaldo (5 buts).