Foran 2009-10-sesongen skrev han som første nordmann kontrakt med en KHL-klubb i Russland. Forrige sesongs seriemester Salavat Julajev Ufa ble neste stopp i karrieren. Etter en noe treg innledning på sesongen løsnet det poengmessig for Thoresen, og til slutt endte han på 57 målpoeng, sjetteplass totalt i KHLs poengliga. I sluttspillet fulgte han opp med 14 målpoeng på 15 kamper. I grunnserien toppet han +/- statistikken med 45 plusspoeng, noe som var ny KHL-rekord. I mars 2010 scoret han også det matchavgjørende målet i fire grunnseriekamper på rad for Salavat, også det var ny KHL-rekord. Han ble seriemester i KHL for første gang denne sesongen, men en seier i sluttspillet, Gagarin Cup, glapp etter å ha tapt 2-4 i kamper mot Ak Bars Kazan i avdelingsfinalen.