Seinen ersten Einsatz als Botschafter hatte er von 2000 bis 2005 als Botschafter in Australien. Als norwegischer Botschafter in Australien war er mitakkreditiert für die Cookinseln, Fidschi, Papua-Neuguinea (seit Oktober 2002),[2]Neuseeland und Tonga. Während der Flüchtlingssituation 2001, welche eine Krise in den Beziehungen zwischen Norwegen und Australien verursachte, besuchte Thorsheim das involvierte Schiff Tampa, dem das Andocken auf australischem Hoheitsgebiet verweigert wurde, da es Hazara-Flüchtlinge in Seenot aufgenommen hatte.
Er wechselte von Australien als Botschafter nach Südafrika. Dort war er mitakkreditiert für Botswana, Lesotho und Namibia. Von 2007 bis 2011 war er Generaldirektor und Protokollchef in der Abteilung für Kultur, Diplomatie und Protokoll beim Außenministerium in Oslo. Von Oktober 2011 bis 2016 war er als Nachfolger von Inga Magistad Botschafter Norwegens in Lissabon, im Mai 2012 wurde er mitakkreditiert für Kap Verde.[3] Als Botschafter in Portugal war er auch zuständig für Guinea-Bissau.