Skriv en fortsættelse til dette afsnit - I 2012 sluttede Thorkildsen som fjerde ved EM i Helsinki med kun tre kast med det bedste resultat på 81,55 meter efter at have fået en skade under opvarmningen. Ved Sommer-OL 2012 i London
Han kastede 82,63 og blev sjette, hvilket blev femte flere år senere efter diskvalificeringen af den oprindelige sølvmedaljevinder Oleksandr Pyatnytsya for dopingforbrydelse. Næste års verdensmesterskab i Moskva bragte Thorkildsen en sjette plads med et kast på 81,06 i det, der viste sig at være hans sidste optræden på en stor mesterskabskonkurrence. Skader tvang ham til at bringe sin 2014-sæson til en for tidlig afslutning før EM. Han besluttede senere at sidde ud hele 2015 sæsonen, men sigtede mod comeback i 2016. I maj 2016 annoncerede Thorkildsen imidlertid sin pensionering fra sport.