Thorheim gikk inn i det norske forsvaret under andre verdenskrig. Han tjenestegjorde fra 1944 i Luftforsvaret. Thorheim tok utdannelse til offiser i Storbritannia og USA. I sin tjeneste i Forsvaret var Thorheim blant annet FN-observatør i Midtøsten. Thorheim var i Luftforsvaret til 1984. Etter at han sluttet i Forsvaret drev Thorheim Krigsgravtjenesten i Kirke-, utdannings- og forskningsdepartementet og hadde der ansvar for å ivareta utenlandske krigsgraver og minnesmerker over falne i Norge.