Nel 2016 Vanthoor viene ingaggiato insieme a Frédéric Vervisch dal Belgian Audi Club Team WRT per competere nella Blancpain GT Series (attuale GT World Challenge). Corre sia la serie Sprint ed nel Endurance dove conquista i suoi primi podi nella serie. L'anno successivo continua con il team belga e nella sprint conquista due vittorie entrambi sul circuito di Hungaroring insieme a Marcel Fässler. A fine stagione l'Audi lo sceglie come pilota ufficiale del marchio
Nel 2018 insieme a Will Stevens conquista a Brands Hatch la sua terza vittoria nella serie sprint e conquista la sua prima vittoria nella serie endurance. Mentre la stagione 2019 risulta molto deludente, l'unica soddisfazione arriva nella vittoria della 24 Ore del Nürburgring. Nel 2020 viene affiancato dal connazionale Charles Weerts. Il duo trionfa nella Sprint Cup mentre nel chiudono ottavi nella Endurance Cup.
Il 2021 è un anno di successi, conquistano quattro vittorie e bissano il successo del anno precedente nella Sprint Cup, il duo con il supporto di Kelvin van der Linde chiudono terzi anche nella serie Endurance. Weerts e Vanthoor con i risultati in entrambe le coppe vincono la classifica generale dal GT World Challenge Europe.
Nel 2022 il Belgian Audi Club Team WRT conferma Vanthoor e Weerts per la Sprint Cup e la Endurance Cup con Kelvin van der Linde. L'equipaggio vince la prima gara endurance stagionale ad Imola, per Vanthoor è la seconda vittoria nella Endurance Cup. Nella Sprint ottengono quattro vittorie e con il terzo posto nella prima gara di Valencia si laureano campioni, per Vanthoor è il terzo successo consecutivo. Lo stesso anno viene ingaggiato dal team Phoenix Racing per correre la 24 Ore del Nürburgring. Vanthoor divide l'Audi R8 LMS Evo II con Robin Frijns, Kelvin van der Linde e Frédéric Vervisch. L'equipaggio vince la corsa, per Vanthoor è il secondo successo nella corsa.
Nel 2017 corre la sua prima 24 Ore di Le Mans con la Ferrari 488 GTE del team JMW Motorsport. Insieme a Robert Smith e Will Stevens vincono nella classe GTE Am. Dopo ben quattro anni, nel 2021 Vanthoor torna a Le Mans guidando la Porsche 911 RSR-19 del team Hub Auto Racing. Ma dopo ben 227 giri è costretto al ritiro.
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