Główną imprezą sezonu 2009 były sierpniowe mistrzostwa świata. Thorkildsen zaczął od startu w Katarze gdzie osiągnął wynik 83,39. 21 sierpnia podczas eliminacji mistrzostw świata rzucił 80,37 i z szóstym wynikiem całych kwalifikacji awansował do finału. Dwa dni później, w niedzielę 23 sierpnia, w drugiej serii rzutów konkursu finałowego czempionatu osiągnął rezultat 89,59, który pozwolił mu zdobyć pierwszy w karierze złoty medal mistrzostw świata. Dzięki temu sukcesowi Norweg stał się pierwszym w historii oszczepnikiem, który posiada w dorobku zarówno tytuł mistrza olimpijskiego, mistrza Europy jak i mistrza świata. Po mistrzostwach, 28 sierpnia, w Zurychu podczas kolejnej edycji zawodów Weltklasse Zürich wynikiem 91,28 ustanowił swój najlepszy wynik w sezonie i najlepszy wynik na świecie w całym sezonie. Na zakończenie sezonu Thorkildsen zwyciężył w Salonikach podczas światowego finału lekkoatletycznego.