Starší bratr Erika Thorella začínal s hokejem v Karlstadu, kde působil v mládežnických týmech do šestnácti a osmnácti let. Úspěšný hokejista, který má za sebou řadu bohatých zkušeností ze Skandinávie, může hrát na centru i na křídle v jakékoliv útočné formaci. Thorell si v průběhu svého mládí vyzkoušel mimo jiné také zápasové tempo na mezinárodní úrovni, když naskočil za švédskou reprezentaci do osmnácti let. Mezi dospělými se poprvé výrazně usadil v sezoně 2010/2011, konkrétně v IF Sundvall Hockey. V tamním klubu zaznamenal přes třicet kanadských bodů, odkud měl zároveň vyřízené střídavé starty do švédských týmů MODO a Timra.

Gustaf Thorell se vydal v sezoně 2012/2013 poprvé v kariéře mimo rodné Švédsko a okusil zahraniční angažmá. Zkušený útočník zavítal do norského týmu Stjernen Hockey, kde strávil dvě úspěšné sezony. V prvním ročníku překonal hranici 30 získaných bodů a ve druhé sezoně dokonce nasbíral bezmála 49 kanadských bodů. Thorell se rozloučil se svým norským zaměstnavatelem po dvou sezonách a vrátil se zpět do Švédska, konkrétně do Karlskogy hrající druhou nejvyšší soutěž. V sezoně 2014/2015 nejprve zaznamenal celkem 25 bodů a v další sezoně po boku svého bratra Erika nasbíral 37 bodů.

Sezonu 2016/2017 rozdělil mezi dva týmy, konkrétně Brynäs a rodný Färjestad, kam se vrátil po několika letech. Thorellovi se však ani v jednom týmu příliš nedařilo a šikovný útočník nakonec zvolil návrat do Karlskogy, kde strávil následující čtyři sezony. V sezonách 2017/2018, 2018/2019 a 2019/2020 dokonce zastával roli zástupce kapitána a ve své zatím poslední sezoně v rodné zemi zapsal celkem 47 bodů za 14 branek a 33 asistencí.

Thorell prozatím uzavřel svou švédskou kapitolu v létě 2021, když vyslyšel vábení Plzně, která ho představila jako novou posilu do svých útočných řad. Volba na švédskou hokejovou školu se ukázala v první fázi sezony jako velmi vydařená, když Thorell dostal místo na přesilové hře po boku Michala Bulíře a dalších zkušených hráčů. Gustaf nasbíral v konečném součtu celkem 24 bodů za 8 branek a 16 asistencí a po skončení sezony 2021/2022 kývl na nabídku pražské Sparty, kde se opět po několika letech potká v jednom týmu se svým bratrem Erikem Thorellem.