Fils d’un ancien lanceur de javelot norvégien, cet athlète a été champion olympique a Athènes 2004 et Pékin 2008, champion d’Europe en 2006 et 2010 et champion du monde en 2009 dans cette spécialité familiale.

Thorkildsen a également été trois fois médaillé d’argent aux Championnats du monde, se classant deuxième en 2005, 2007 et 2011. À Athènes, confronté au champion du monde Makarov, il s’impose à la surprise générale.

En 2008, c’est en favori que Thorkildsen a remporté une médaille d’or aux Jeux olympiques en établissant un nouveau record olympique avec un jet au delà de 90 m.

Il est le premier lanceur de javelot de l’histoire à être à la fois champion d’Europe, champion du monde et champion olympique, mais il n’est pas le premier lanceur de javelot norvégien champion olympique. Egil Danielsen l’avait précédé à Melbourne 1956.

Thorkildsen a dominé la compétition, la menant dès le départ et réalisant à cinq reprises le meilleur lancer de la compétition. Multipliant les blessures lors de dernières années sportives, le norvégien a pris sa retraite en 2016.