Etter et års fravær var han tilbake på landslaget under VM i 2012, hvor han endte med å bli en av de beste spillerne i turneringen. Med sine 18 målpoeng (7 mål og 11 assist), inkludert et hat trick i 12-4-seieren over Tyskland, ble Thoresen hyllet for sin lederrolle og sitt offensive spill. Han avsluttet turneringen på 2.-plass på poengligaen, kun slått av NHL-stjernen Jevgenij Malkin med sine 19 poeng. Han ble dessuten den første norske ishockeyspilleren i historien til å bli tatt ut på et all-star lag ved VM.