En 2012 Thorkildsen va acabar quart en el Campionat d'Europa a Helsinki només aconseguint tres llançaments amb el millor resultat de 81,55 metres després de patir una lesió durant l'escalfament. Als Jocs Olímpics d'estiu de 2012 a Londres
Va llançar 82.63 i va acabar sisè, que es va convertir en cinquè anys més tard després de la desqualificació del medallista d'argent original Oleksandr Pyatnytsya per infracció de dopatge. El Campionat del Món de Moscou de l'any següent va portar a Thorkildsen al sisè lloc amb un llançament de 81,06 en el que va resultar ser la seva última aparició en una competició de campionat important. Les lesions el van obligar a acabar prematurament la temporada 2014 abans del Campionat d'Europa. Posteriorment va decidir quedar-se fora de tota la temporada de 2015, però amb l'objectiu de tornar el 2016. No obstant això, el maig de 2016 Thorkildsen va anunciar el seu retirat dels esports.