Thorsby drev en omfattende forskning innen immunologi, særlig om HLA-molekyler og transplantasjonsimmunologi. Han forsket på det genetiske opphavet til urbefolkningen på Påskeøya. En DNA-studie som ble publisert i 2014 bekreftet at den genetiske bakgrunnen hos Påskeøya-folket i hovedsak er polynesisk, med 16 % europeisk innslag og 8 % fra amerikanske urfolk. Innslaget av arvemateriale fra amerikanske urfolk ble datert til perioden 1280–1495, lenge før europeernes ankomst til øya i 1722.