ב-2012 סיים ת'ורקילדסן במקום הרביעי באליפות אירופה בהלסינקי, עם שלוש זריקות בלבד, עם התוצאה הטובה ביותר של 81.55 מטר, לאחר שנפצע במהלך ההתחממות. באולימפיאדת הקיץ 2012 בלונדון
הוא זרק 82.63 וסיים במקום השישי, שהפך למקום החמישי מספר שנים לאחר שהזוכה המקורי במדליית הכסף, אולקסנדר פיאטניצ'ה, הושעה בשל עבירה של שימוש בסמים. באליפות העולם של שנה הבאה במוסקבה, ת'ורקילדסן הגיע למקום השישי עם זריקת של 81.06 במה שהתברר כופעתו האחרונה בתחרות אליפות גדולה. פציעות אילצו אותו לסיים את עונת 2014 בטרם עת לפני אליפות אירופה. מאוחר יותר הוא החליט לא להשתתף בכל עונת 2015, אך כיוון לחזור ב-2016. עם זאת, במאי 2016 Thorkildsen הודיע על פרישתו מהספורט.