I vinter-OL 2018 i Pyeongchang i Sør-Korea, tok Tønseth gull på herrestafetten. Her gikk han 1. etappe på et stafettlag bestående av Martin Johnsrud Sundby (2. etappe), Simen Hegstad Krüger (3. etappe) og Johannes Høsflot Klæbo (4. etappe).