Kariera trenerska W 2006 Thorup został asystentem trenera w Esbjergu. Dwa lata później pełnił funkcję trenera tymczasowego zespołu przez półtora miesiąca. 14 marca 2011 po rezygnacji Ove Pedersena został głównym trenerem Esbjergu. W sezonie 2010/2011 jego zespół spadł z Superligaen, jednak w następnym powrócił do tych rozgrywek. W 2013 zwyciężył w Pucharze Danii.
Latem 2013 został selekcjonerem reprezentacji Danii do lat 20 oraz kadry do lat 21. Z tą drugą drużyną na mistrzostwach Europy U-21 w 2015 doszedł do półfinału, zapewniając awans na igrzyska olimpijskie. W lipcu 2015 został trenerem FC Midtjylland. W sezonie 2017/2018 wywalczył z tym zespołem mistrzostwo Danii.
W październiku 2018 zastąpił na stanowisku trenera KAA Gent Yvesa Vanderhaeghe'a. 20 sierpnia 2020 został zwolniony, natomiast 24 września 2020 został szkoleniowcem KRC Genk. Pełnił tę funkcję do 2 listopada tego samego roku.
W listopadzie 2020 został trenerem FC København. Podpisał z tym klubem kontrakt do lata 2024. W sezonie 2021/2022 wywalczył drugie w swojej karierze mistrzostwo Danii. Po słabym początku sezonu 2022/2023 został zwolniony z funkcji trenera zespołu z Kopenhagi. 15 października 2023 został ogłoszony trenerem FC Augsburg, z którym podpisał kontrakt do 2025.