Thorheim har vært ansatt i Etterretningstjenesten og har bakgrunn fra utenrikstjenesten siden 2005 med stasjoneringer ved ambassadene i Colombo og Washington D.C.. I 2015 ble han utnevnt til leder av Utenriksdepartementets operative senter og kriseberedskap for konsulære kriser. Thorheim har i UD arbeidet særlig med nordområdepolitikk, sikkerhetspolitikk, Russland, fredsprosesser, Midtøsten og Balkan. Han har også vært gjesteforsker ved Norsk utenrikspolitisk institutt.