W 2001 roku zawodnik przeprowadził się do Oslo i rozpoczął treningi w klubie SK Vidar. 7 czerwca w Bergen pierwszy raz Thorkildsen przekroczył barierę 80 metrów. Wynik 83,87 do 2011 był rekordem świata juniorów. W Grosseto podczas mistrzostw Europy juniorów zdobył srebrny medal rzutem na odległość 76,98. W sierpniu bez powodzenia startował w mistrzostwach świata, które były dla niego pierwszą seniorską imprezą o randze międzynarodowej. W Edmonton uzyskał wynik 68,41 i swój start zakończył na eliminacjach, zajmując w nich ostatnią lokatę pośród zawodników z mierzoną próbą. W 2001 oszczepnik wywalczył swój pierwszy złoty medal mistrzostw kraju.