Podczas mistrzostw Świata w 2001 w Fukuoce, jako pierwszy pływak w historii zdobył sześć złotych medali: 200 m stylem dowolnym, 400 m stylem dowolnym i 800 m stylem dowolnym, pobijając przy tym trzy rekordy świata, a także w sztafetach 4 x 100 m stylem zmiennym, 4 x 100 m i 4 x 200 m stylem dowolnym.
Na kolejnych mistrzostwach Świata w 2003 w Barcelonie wygrał wyścigi na 200 m i 400 m stylem dowolnym, w sztafecie 4 x 200 m stylem dowolnym, a także zdobył srebrny medal na 200 m stylem dowolnym i brązowy medal na 100 m stylem dowolnym.
Igrzyska Olimpijskie w 2004 w Atenach przyniosły mu kolejne medale, m.in. zwyciężył na dystansach: 200 m i 400 m stylem dowolnym. Finał 200 m okrzyknięto wyścigiem stulecia, Thorpe pokonał m.in. Holendra Pietera van den Hoogenbanda oraz Amerykanina Michaela Phelpsa. Zdobył również brązowy medal na 100 m stylem dowolnym i srebrny w sztafecie 4 x 200 m stylem dowolnym. Po Igrzyskach w Atenach miał 15-miesięczną przerwę.
Do pływania wrócił w 2006. Wystartował w zawodach Pucharu Świata w 2005 w Sydney. W 2006 zachorował na mononukleozę, a także złamał rękę, co przeszkodziło mu w powrocie do uprawiania sportu wyczynowego.