Kolejny sukces przyszedł na igrzyskach olimpijskich w Innsbrucku w 1964 roku. Konkurs skoków zakończył na drugim miejscu, za Knutsenem, a przed Nikołajem Kisielowem z ZSRR. Na trasie biegu Thoma dwukrotnie się przewrócił i stracił drugą pozycję na rzecz radzieckiego kombinatora. Ostatecznie zdobył brązowy medal, plasując się za Knutsenem i minimalnie przegrywając z Kisielowem. Ostatnie trofeum zdobył w 1966 roku, na mistrzostwach świata w Oslo. Po skokach był drugi, przegrywając ze swym rodakiem Franzem Kellerem, jednak po biegu zdołał go wyprzedzić i zdobyć złoty medal. Trzecie miejsce przypadło Szwajcarowi Aloisowi Kälinowi, który był najszybszy na trasie biegu, nie zdołał jednak wyprzedzić reprezentantów RFN.
Ponadto Thoma wygrywał zawody w kombinacji norweskiej podczas Holmenkollen ski festival w latach 1963–1966. Niemiec został pierwszym zawodnikiem spoza Krajów nordyckich, który wygrał zawody na Holmenkollen w kombinacji norweskiej.