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Courant principalement en cyclo-cross, mais également sur route, Vanthourenhout est un bon « sprinter », comme le prouve sa deuxième place au Championnat de Belgique, en 2008 et sa troisième place au même championnat en 2003.
L'équipe Crelan-Euphony disparait à la fin de la saison 2013 faute d'argent[1], néanmoins Crelan conserve son soutien financier à deux cyclocrossmen, Vanthourenhout et Sven Nys[2].
En , il devient sélectionneur de l'équipe de Belgique de cyclo-cross. En 2021, il est également nommé sélectionneur de l'équipe de Belgique sur route[3]. En quatre ans, il remporte tous les titres masculins possibles sauf le championnat d'Europe du contre-la-montre. Avec Remco Evenepoel, il réalise le doublé course en ligne et contre-la-montre aux Jeux olympiques de 2024, décroche les titres mondiaux sur route en 2022 et du contre-la-montre en 2023 et 2024. À domicile, il décroche également le titre européen sur route en 2024 avec Tim Merlier[4]. Il quitte la sélection belge à l'issue de la saison 2024 avec 16 médailles (sur route) : 4 médailles en 2 éditions des JO (dont 2 médailles d'or), 6 médailles en 4 championnats du monde (dont 2 médailles d'or) et 6 médailles en 4 championnats d'Europe (dont 1 médaille d'or), bien aidé par le duo Evenepoel - Van Aert qui à eux seuls ont remporté 14 des 16 médailles.