Pada tahun 2012 Thorkildsen menempati posisi keempat di Kejuaraan Eropa di Helsinki hanya berhasil tiga lemparan dengan hasil terbaik 81,55 meter setelah mengalami cedera selama pemanasan. Pada Olimpiade Musim Panas 2012 di London
Dia melemparkan 82.63 dan finis keenam yang menjadi kelima beberapa tahun kemudian setelah diskualifikasi pemenang medali perak asli Oleksandr Pyatnytsya karena pelanggaran doping. Kejuaraan Dunia tahun depan di Moskow membawa Thorkildsen ke tempat keenam dengan lemparan 81,06 dalam apa yang ternyata menjadi penampilan terakhirnya di kompetisi kejuaraan utama. Cedera memaksanya untuk membawa musim 2014 ke akhir prematur sebelum Kejuaraan Eropa. Dia kemudian memutuskan untuk duduk seluruh musim 2015 tetapi bertujuan untuk comeback pada tahun 2016. Namun, pada Mei 2016 Thorkildsen mengumumkan pensiun dari olahraga.