År 1921 ble han oberstløytnant ved Generalstaben. Han virket ved Upplands infanteriregemente (I 8) i 1924, til forordnet sjef Gotlands infanteriregemente (I 27) i 1926. Den 24. august 1926 ble Thörnell utnevnt til oberst og sjef for Vaxholms grenadjärregemente. Den 1. januar 1928 ble han militærbefalhaver på Gotland, og 1931 inspektør for Trängen. Den 28. desember 1933 ble han utnevnt til generalmajor og ble inspektør for infanteriet. Den 1. juli 1936 ble han generalløytnant og sjef for Försvarsstaben, den 8. desember 1939 øverstkommanderende (ÖB) og 1. januar general.