Rozpoczął pływanie w wieku 8 lat. Pierwsze sukcesy przyszły po 5 latach.

Mając 15 lat odniósł pierwszy duży sukces na arenie międzynarodowej. Na mistrzostwach świata zdobył dwa złote medale. Na olimpiadzie w Sydney w 2000 zdobył 3 złote medale i 2 srebrne. Szczyt kariery Thorpe'a to mistrzostwa świata w 2001 roku w Fukuoce. W Japonii zdobył sześć złotych medali i pobił rekordy świata na 200, 400 i 800 m oraz w sztafecie 4x200 m - wszystkie w stylu dowolnym. Jego wynik z tamtych mistrzostw na 200 m - 1.44,06 wciąż jest na pierwszym miejscu w tabelach. Na kolejnej olimpiadzie, w Atenach w 2004 roku zdobył kolejne 2 złota.

21 listopada 2006 roku, mając zaledwie 24 lata, ogłosił zakończenie kariery. Powód to brak motywacji do treningów.

W marcu 2007 roku został oskarżony o doping przez francuski dziennik "L'Equipe". W obronie pływaka stanęli premier Australii, John Howard, federacje australijska, holenderska i kanadyjska oraz wielki rywal pływaka, Holender Pieter van den Hoogenband.