Już na początku sezonu 2003 w łotewskim Ventspils uzyskał swój nowy rekord życiowy – 85,72. Podczas młodzieżowych mistrzostw Europy w Bydgoszczy był czwarty. Także w roku 2003 po raz drugi wywalczył mistrzostwo Norwegii z wynikiem 76,04. W Paryżu podczas mistrzostw świata odniósł pierwszy znaczący sukces w kategorii seniorów. W eliminacjach osiągnął wynik 79,44. W finale rzucił 77,75 i zajął ostatecznie 11. pozycję.
2004 Kwalifikację olimpijską Thorkildsen uzyskał 11 czerwca podczas rozgrywanego wyjątkowo w Bergen mityngu Bislett Games – osiągnął wówczas rezultat 84,12, przegrywając z Amerykaninem Breaux Greerem i Rosjaninem Siergiejem Makarowem. 27 lipca Norweg odniósł zwycięstwo w prestiżowym mityngu DN Galan w Sztokholmie. Trzy dni później w Londynie podczas London Grand Prix uzyskał swój najlepszy dotychczasowy wynik w sezonie 2004 – 84,45.