2012 m. Europos čempionate Helsinkyje Thorkildsenas užėmė ketvirtąją vietą, įveikęs tik tris metimus, o geriausias rezultatas - 81,55 m. 2012 m. Londono vasaros olimpinėse žaidynėse
Jis metė 82,63 ir baigė šeštąjį, kuris tapo penktuoju po kelių metų po to, kai buvo diskvalifikuotas pirminio sidabro medalio laimėtojas Oleksandr Pyatnytsya dėl dopingo pažeidimo. Kitų metų Pasaulio čempionate Maskvoje Thorkildsenas užėmė šeštą vietą su 81,06 metimu, o tai buvo jo paskutinis pasirodymas didelio čempionato varžybose. 2014 m. sezoną jis buvo priverstas prieš Europos čempionatą nutraukti dėl sužalojimų. Vėliau jis nusprendė praleisti visą 2015 m. sezoną, tačiau siekė sugrįžti 2016 m. Tačiau 2016 m. gegužę Thorkildsenas paskelbė apie savo išėjimą į pensiją.