Vuonna 2012 Thorkildsen sijoittui neljänneksi Euroopan mestaruuskilpailuissa Helsingissä ja onnistui vain kolmella heitolla 81,55 metrin parhaan tuloksen saavuttamiseksi, kun Thorkildsen loukkaantui lämmityksen aikana. Lontoon kesäolympialaisissa 2012
Hän heitti 82,63 ja sijoittui kuudenneksi, josta tuli viides useita vuosia myöhemmin, kun alkuperäinen hopeamitalisti Oleksandr Pyatnytsya hylättiin dopingrikoksesta. Seuraavan vuoden maailmanmestaruuskilpailussa Moskovassa Thorkildsen sijoittui kuudenneksi 81,06 metrin heitolla, mikä osoittautui hänen viimeiseksi esiintymisekseen suuressa mestaruuskilpailussa. Loukkaantumiset pakottivat hänet päättämään kauden ennenaikaisesti ennen Euroopan mestaruuskilpailua. Myöhemmin hän päätti jäädä pois koko kaudesta 2015, mutta tavoitteli paluuta vuonna 2016. Toukokuussa 2016 Thorkildsen kuitenkin ilmoitti vetäytyvänsä urheilusta.