Aux championnats d'Europe 2010 à Barcelone, après un concours de qualifications difficile où il ne franchit pas la mesure requise nécessaire à une qualification directe, il l'emporte avec un jet à devant De Zordo et Pitkämäki. En 2010, Thorkildsen remporte également la Ligue de diamant au lancer du javelot, en s'imposant lors de six des sept concours disputés. Il remporte notamment le Mémorial Van Damme à Bruxelles, épreuve finale de la Ligue de diamant en lançant à 89,88 m. Début septembre, il représente l'Europe lors de la Coupe continentale d'athlétisme 2010 et prend la première place de l'épreuve avec , soit plus de six mètres d'avance sur le second, le Sud-Africain Gerhardus Pienaar (). Il est élu athlète norvégien de l'année 2010.