Han valgte til slutt å signere for PSV Eindhoven på grunn av de sportslige utfordringene. Overgangssummen var 3,5 millioner kroner, noe som var rekord for en norsk spiller. Allerede i 1982/83 ble han toppscorer med 22 seriemål, og sesongen etter ble han klubbens kaptein. Han var stjernen på laget, selv med spillere som Ruud Gullit, Ronald Koeman, Gerald Vaneburg, Willy van de Kerkhof, Frank Arnesen og Hans van Breukelen. Thoresen var jevn på et høyt nivå, og scoret over 20 seriemål fire sesonger på rad.