Le , l'Allemand établit la meilleure performance mondiale de l'année avec 87,37 m[2] qu'il extend à 89,30 lors des Bislett Games d'Oslo. Le , il devient champion d'Allemagne avec un jet à 86,81 m[3]. Le lors des Paavo Nurmi Games à Turku, Röhler dépasse pour la 1re fois la ligne des 90 mètres avec un 3e jet à 91,27 m[4] avant de confirmer au 5e essai avec 91,04 m[4].
Le , en finale des Championnats d'Europe d'Amsterdam, l'Allemand prend une décevante 5e place à cause de problèmes de dos, avec 80,78 m[5]. Le mois suivant, en pleine santé, l'Allemand décroche le 1er grand titre international de sa carrière en s'imposant en finale des Jeux olympiques de Rio avec un jet à 90,30 m, devant le champion du monde en titre Julius Yego (88,24 m) et le champion olympique en titre Keshorn Walcott (85,38 m)[6].
2017 : 93,90 m à Doha mais au pied du podium aux Mondiaux de Londres
Le , pour l'ouverture de sa saison estivale, Thomas Röhler s'impose à Doha avec un incroyable jet à 93,90 m, améliorant tout d'abord son record personnel de deux mètres, établissant un record d'Allemagne, un record de la ligue de diamant et un record du meeting. Son record d'Allemagne est toutefois battu par son compatriote Johannes Vetter le , celui-ci réalisant un jet à 94,44 m au meeting de Lucerne. Röhler reste néanmoins le 3e performeur de tous les temps du lancer du javelot.
Le , il s'impose au Seiko Golden Grand Prix avec 86,55 m[7]. Lors du Golden Gala de Rome, il s'impose avec une nouvelle marque supérieure à 90 m : 90,06 m, qu'il réitère lors du Golden Spike d'Ostrava le avec 91,53 m[8] (et également un autre jet à 91 m dans la compétition). Il est le premier athlète depuis Andreas Thorkildsen en 2006 à réaliser 3 compétitions au-dessus des 90 mètres lors de la même année[8]. Favori, Thomas Röhler échoue cependant à remporter une médaille lors des championnats du monde de Londres : il termine au pied du podium avec 88,26 m, battu de six centimètres pour la médaille de bronze par le Tchèque Petr Frydrych[9]. Le , il termine 2e de la finale de la Ligue de diamant lors du Weltklasse Zürich avec 86,59 m, battu par Jakub Vadlejch (88,50 m) qui décroche le trophée.
Eliminé dès les qualifications des Mondiaux de Doha en octobre 2019, il enchaîne les blessures lors des saisons suivantes. Le 28 juin 2021, il annonce renoncer aux Jeux Olympiques de Tokyo en raison d'une blessure au dos, alors qu'il était tenant du titre[11].