En 2011, il remporte la médaille d'or du 10 000 mètres lors des Championnats d'Europe espoirs se déroulant à Ostrava, avec un temps de 28 min 41 s 66[1]. En 2012, il fait face à une tendinite et une fracture de stress au pied, qui se révèlera en 2013 être une rupture du tendon d'achille[2].
En 2017 il bat le record de Norvège du marathon qui datait de 30 ans, en 2 h 10 min 7 s[3]. Le , il court le semi-marathon en 59 min 47 s[4], devenant le second meilleur performeur européen de tous les temps sur la distance derrière Mohamed Farah (59 min 32 s en 2015)[5].
Le , lors du Marathon de Fukuoka, Sondre Moen remporte la course et porte le record d'Europe de la discipline à 2 h 5 min 48 s, améliorant de 48 secondes l'ancien record co-détenu par le Portugais António Pinto et le Français Benoît Zwierzchiewski[6]. Son précédent record personnel était au-delà des 2 h 10 min[6].
Après avoir animé la course à son début, il abandonne lors du marathon des Championnats d’Europe à Berlin.
Le , Moen établit un nouveau record d'Europe sur le 25 000 mètres en 1 h 12 min 46 s 5 à Oslo, en Norvège. Le , il pense établir un nouveau record d'Europe de l'heure en parcourant 21,131 km à Kristiansand en Norvège, effaçant ainsi des tablettes le vieux record du Néerlandais Jos Hermens (20,944 km) réalisé en 1976[7]. Mais quelques jours plus tard, ce record est invalidé par la World Athletics en raison d'un nouveau règlement qui interdit les chaussures à semelle de plus de 25 mm sur les distances de 800 m et au-delà. Or, Moen a utilisé des chaussures Nike Vaporfly avec des semelles de 40 mm d'épaisseur, enfreignant ainsi les nouvelles règles[8].
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