I semesterferiene og etter avgang fra Den kgl. Tegneskolen arbeidet A. hos arkitekt Henrik Nissen. Sommerferien 1897 arbeidet han hos arkitekt Henrik Bull og 1898-mai 1899 var han første-assistent hos H. Nissen. Arkitekt for Frölichpassagensprosjekterte store om- og nybygning mai 1899-mai 1900. Egen arkitektpraksis fra 1901; sammen med sin sønn Henning Thorvaldssøn A. fra 1934. Den nasjonale nyromantiske retning gjenspeilet seg i A.s første arbeider, hvor en samtidig finner påvirkning fra arkitekt H. Bull og art nouveau-inspirerte detaljer. A. ble tidlig knyttet til industrien som arkitektkonsulent, og fikk her en rekke oppdrag ved utformingen av større kraft- og transformatorstasjoner, fabrikk- og dambygninger. Så vel den nyklassisistiske retning som funksjonalismen kom til uttrykk i de egenartede monumentaloppgaver som utviklingen av storindustrien førte med seg. Bygningenes ofte dominerende plassering og utforming gav meget godt uttrykk for den fremtredende plassen industrien fikk i samfunnet. A. var også i hele sin praksis opptatt av den tradisjonelle norske trearkitekturen, med Gudbrandsdalens brune laftehus som forbilde for fjellbebyggelsen og sørlandshuset som type for sommerhuset ved sjøen. Original nyskapende var A. ved utformingen av Soria Moria, et "kulturhus" som inneholdt Oslos første moderne kino, et bibliotek, forretninger, kontorer, restaurant og boliger.