Thorkelin var ud af en gammel islandsk slægt som søn af cand.jur., overauditør ved Kronens Regiment Frederik Stephanus Thorkelin (1794-1840) og Charlotte Emilie født Lillienskiold (1803-1840). Han mistede begge forældre i 1840, men kom samme år på Landkadetakademiet, hvor han var, til han som sekondløjtnant i infanteriet afgik til felten ved Treårskrigens begyndelse 1848. Thorkelin mistede i slaget ved Slesvig tre fingre på venstre hånd, men kom ikke længe efter på ny i tjeneste og var 1849 med i slaget ved Kolding, "hvor han med sin sædvanlige Raskhed blandt andet tilligemed Furer Dreyer var den første, der nedbrød det tyske Flag", der var hejst i havnen. Under udfaldet fra Fredericia erobrede han en tolvpundig kanon og blev derfor bemærket i F.A. Schleppegrells rapport. Thorkelin blev belønnet med rang af premierløjtnant og fik Ridderkorset, men i vintermånederne var han syg og i København.