Tijdens de seizoensopener van 2010, het "Florö Track &amp; Field Festival" in mei, kwam hij tot zijn beste worp van het jaar, 90,37. Vervolgens won hij in de aanloop naar de EK in Barcelona alle zes wedstrijden die deel uitmaakten van de Diamond League-serie, die in de plaats was gekomen van de Golden League-serie. Op 31 juli verdedigde hij ten slotte in Barcelona met succes zijn Europese titel met een worp van 88,37. Ditmaal ondervond hij de meeste tegenstand van de jonge Duitser Matthias de Zordo, die tot een PR-worp kwam van 87,81. Pitkämäki wierp 86,67 en moest genoegen nemen met brons.Ten slotte won Thorkildsen aan het eind van het seizoen ook de finale van de Diamond League, de Memorial Van Damme, met een worp van 89,88. Dit leverde hem, naast de eer, ook een diamant op ter waarde van ongeveer $80.000.