Koos Moerenhout passe professionnel en 1996 au sein de la formation néerlandaise Rabobank. Lors de sa première saison professionnelle, il remporte une étape puis le classement final du Circuit franco-belge. Il quitte la Rabobank pour rejoindre l'équipe Farm Frites en 2000. Il évolue ensuite dans les équipes Domo-Farm Frites, Lotto-Domo, Davitamon-Lotto et Phonak avant de revenir à la Rabobank en 2007. Cette année-là, il remporte pour la première fois le titre de Champion des Pays-Bas sur route. Dépossédé du maillot tricolore en 2008 par Lars Boom, il le récupère en 2009. Il remporte également une étape du Tour d'Autriche et termine deuxième du Tour de Belgique[1].
Devenu capitaine de route de Rabobank, il annonce lors de la deuxième journée de repos du Tour de France 2010 l'arrêt de sa carrière à la fin de la saison[2]. Il remporte en août la troisième étape de l'Eneco Tour[3] se classant alors deuxième du général derrière Tony Martin. Il conserve ce rang jusqu'au terme de l'épreuve notamment grâce à une cinquième place lors de l'ultime étape, un contre-la-montre de 16,9 km[4]. Sélectionné pour les championnats du monde, il termine tout d'abord sixième du contre-la-montre. Lors de la course en ligne, il figure aux avant-postes lors des derniers kilomètres de l'épreuve. Il termine finalement treizième et meilleur néerlandais de ce qui est sa dernière course professionnelle après une carrière de 15 saisons[5].
Moerenhout reste néanmoins dans l'équipe Rabobank et intervient dans sa communication[6]. En 2013, il devient directeur sportif de l'équipe féminine Rabobank[7]. Après quatre saisons, il rejoint en 2017 Axeon-Hagens Berman, toujours en tant que directeur sportif. En , il est nommé sélectionneur de l'équipe masculine des Pays-Bas sur route, tout en conservant son poste de directeur sportif de l'équipe continentale professionnelle américaine Hagens Berman-Axeon[8].
