Etter videregående i 2001, flyttet Thorkildsen til Oslo og Åsmund Martinsen tok over hele treneransvaret. Thorkildsen meldte seg inn i Martinsens klubb SK Vidar. Martinsen er selv en tidligere spydkaster med personlig rekord på 68,12 meter og har bronse fra NM på Jessheim i 1994. I juni 2001 brøt Thorkildsen 80-metersbarrieren med 83,87 meter og verdensrekord for junior på Fana Stadion. Denne rekorden stod fram til mars 2011, da Zigismunds Sirmais kastet 84,47.. Han fikk sølv i junior-EM bak Aleksandr Ivanov. Hans første møte med et internasjonalt seniormesterskap gikk dårligere. Thorkildsen kastet 68,41 meter og ble sist i konkurransen. Han rettet opp inntrykket med å ta sitt første norske seniormesterskap med 79,98 meter på Marienlyst i Drammen. Til tross for et svakt VM lå det an til at Thorkildsen ville kunne ta opp arven etter de store norske spydkasterne Egil Danielsen, Terje Pedersen og Trine Hattestad.