Han ble den femte nordmannen som spilte i National Hockey League (NHL) da han debuterte for Edmonton Oilers mot Calgary Flames 6. oktober 2006 etter å ha signert kontrakt med klubben den 1. juni samme år. Den 22. februar 2008 ble han hentet vederlagfritt til Philadelphia Flyers rett før overgangsvinduet stengte, og ble senere samme sesong den første nordmannen til å spille i NHL-sluttspillet. I 2009 ble han den første nordmannen som spilte i KHL i Russland da han signerte en to-årskontrakt for Salavat Julajev Ufa. I 2011 vant han sluttspillet, Gagarin Cup, for første gang og ble dermed den første nordmann som kan titulere seg som russisk mester i ishockey. Etter to sesonger i Salavat signerte Thoresen for SKA St. Petersburg som spiller i KHLs vestre avdeling. I februar 2013 forlenget han kontrakten med SKA med ett år, og i 2015 vant han Gagarin Cup for andre gang i sin karriere. Etter spill i Sverige og Sveits returnerte han til Norge og Storhamar foran 2017/18-sesongen.