L'équipe Unibet.com accède en 2007 à l'UCI ProTour. Cette saison parmi l'élite du cyclisme mondial est cependant gâchée par le refus de certains organisateurs de courses d'inviter l'équipe. Laurens ten Dam fait néanmoins bonne figure sur les épreuves du ProTour auxquelles il participe. Il est ainsi 8e du Tour d'Allemagne, 9e du Tour de Catalogne et 18e du Tour de Pologne. Il participe en fin d'année à la course en ligne des championnats du monde avec l'équipe des Pays-Bas.
En , il chute lors du Tour d'Andalousie et souffre d'une fracture de la hanche[2]. Il reprend la compétition en mars. En juin, il abandonne lors du Tour de Suisse, à la suite d'une chute qui lui cause des fractures du poignet, de deux vertèbres, du menton et une commotion cérébrale[3]. En septembre, il chute à nouveau pendant le Tour d'Espagne et doit abandonner, souffrant d'une fracture du poignet gauche[4]. Cette blessure met également fin à sa saison.
En 2012, Ten Dam est équipier de Robert Gesink lors de sa victoire au Tour de Californie, il doit cependant abandonner avant l'étape-reine du Mount Baldy à cause d'une douleur au genou, consécutive à une chute lors de la deuxième étape[7]. Au Tour de France, il est à nouveau équipier de Gesink, qui abandonne après plusieurs chutes. Laurens ten Dam est 28e, premier Rabobank au classement général. En août, Rabobank se présente au Tour d'Espagne avec deux leaders, Robert Gesink et Bauke Mollema[8],[9]. Après treize étapes, trois coureurs de l'équipe figurent parmi les dix premiers au classement général : Gesink, Mollema et Laurens ten Dam, qui surprend en suivant les meilleurs en montagne[10]. Il fait même mieux que ses leaders lors de la quatorzième étape : il prend la huitième place au Puerto de Ancares, tandis que Mollema perd plus de trois minutes[11]. Il est neuvième de la difficile étape de Cuitu Negru et termine cette Vuelta à la huitième place, son leader Robert Gesink finit à la sixième place. En septembre, Ten Dam est sélectionné en équipe nationale pour la course en ligne des championnats du monde, dans le Limbourg néerlandais, en tant qu'équipier[12],[13]. Il est 119e de cette course, le meilleur Néerlandais étant Lars Boom, cinquième.
En , il chute lors du Tour de Catalogne et subit une fracture de quatre côtes, ce qui le prive de compétition entre trois et quatre semaines[14]. Il chute également lors de la troisième étape du Tour de France. Cette chute lui entraîne une blessure à une épaule et l'amène à renoncer à toute ambition sur la course qu'il termine à la 92e place. Au début du mois d'août, il chute à nouveau après avoir été percuté par une voiture lors d'un entraînement et doit être hospitalisé[15].
Il rejoint l'équipe Sunweb en 2016, où il joue un rôle d'équipier pour ses leaders en montagne. Il aide Tom Dumoulin à remporter le Tour d'Italie 2017 et à terminer deuxième du Tour de France 2018. Au cours de son passage dans l'équipe, il obtient comme meilleure performance une dixième place du Tour de Californie 2016.
Après trois saisons au sein de l'équipe Sunweb, il signe avec l'équipe World Tour CCC pour la saison 2019[16]. Il annonce qu'il s'agit de sa dernière saison avant d'arrêter sa carrière de coureur[17].
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Antoine Vayer considère à partir des calculs de puissances développées dans les cols comme seuil du dopage « avéré » les 410 watts moyens alors qu'il le juge « miraculeux » au-delà de 430 et « mutant » au-delà de 450[18]. Lors du Tour de France 2013, l’ombre du dopage réapparaît[19] : dans la montée vers Ax 3 Domaines lors de la première étape de montagne, Laurens ten Dam développe selon Antoine Vayer une puissance moyenne suspecte entre 411 et 420 watts[20].
L’interprétation des données de puissance est cependant complexe car elle devrait prendre en compte de nombreux facteurs et les analyses de Vayer sont contestées. Frédéric Grappe, entraîneur dans le cyclisme et docteur en Science spécialisé dans la physiologie de l’entraînement sportif, a mis au point pour la FdJ le PPR (« profil de puissance record »)[21]. Selon Ross Tucker spécialiste en performance sportive, les modèles de calcul de puissances (CPL, DrF, BCR, rst, etc.)[22] ont des résultats différents selon leurs méthodes de calcul des variables environnementales (température, humidité, direction, vitesse du vent, etc.), variables de courses (profil et durée de l'étape, placement de l'étape dans le tour, etc.) ou les performances du coureur (rendement énergétique qui varie de 21 à 27%, %age d’exploitation de la VO2max, etc.)[23].
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