Bjørgen maakte haar wereldbekerdebuut op 27 december 1999 in het ZwitserseEngelberg, een jaar later behaalde ze in hetzelfde Engelberg voor het eerst wereldbekerpunten. Op de wereldkampioenschappen langlaufen 2001 in Lahti eindigde de Noorse als negentiende op de 10 kilometer achtervolging en als 24e op de 10 kilometer klassieke stijl. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2002 in Salt Lake City eindigde Bjørgen als veertiende op de 30 kilometer klassieke stijl en als vijftigste op de vijftien kilometer vrije stijl. Samen met Bente Skari, Hilde Gjermundshaug Pedersen en Anita Moen veroverde ze de zilveren medaille op de estafette.
Op 26 oktober 2002 boekte de Noorse in het DuitseDüsseldorf haar eerste wereldbekerzege, het was tevens de eerste keer in haar carrière dat ze een toptien klassering behaalde. Aan het eind van het seizoen 2002/2003 eindigde ze als zesde in het eindklassement. In het Italiaanse Val di Fiemme nam Bjørgen deel aan de wereldkampioenschappen langlaufen 2003. Op dit toernooi veroverde ze de wereldtitel op de sprint en eindigde ze als 24e op de 15 kilometer klassieke stijl. Op de estafette sleepte ze samen met Anita Moen, Hilde Pedersen en Vibeke Skofterud de zilveren medaille in de wacht. In het daaropvolgende seizoen 2003/2004 boekte de Noorse zeven wereldbekerzeges en eindigde ze als tweede in het eindklassement. In het seizoen 2004/2005 boekte ze tien wereldbekerzeges en won ze de algemene wereldbeker. Op de wereldkampioenschappen langlaufen 2005 in Oberstdorf veroverde Bjørgen de gouden medaille op de 30 kilometer klassieke stijl, de zilveren medaille op de 15 kilometer achtervolging en de bronzen medaille op de 10 kilometer vrije stijl. Samen met Hilde Pedersen sleepte ze de wereldtitel in de wacht op het onderdeel teamsprint, op de estafette legde ze samen met Vibeke Skofterud, Hilde Pedersen en Kristin Størmer Steira beslag op de wereldtitel. Het seizoen 2005/2006 leverde de Noorse opnieuw de eindzege in de wereldbeker op, ze bereikte dit onder meer door zes wereldbekerzeges te boeken. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2006 in Turijn, Italië veroverde Bjørgen de zilveren medaille op de 10 kilometer klassieke stijl, op de sprint eindigde ze op de achttiende plaats. Op het onderdeel teamsprint eindigde ze samen met Ella Gjømle op de vierde plaats, samen met Kristin Størmer Steira, Hilde Pedersen en Kristin Murer Stemland eindigde ze als vijfde op de 4x5 kilometer estafette.
In het naolympisch seizoen, 2006/2007, boekte Bjørgen twee wereldbekerzeges en eindigde de ze als tweede in de Tour de Ski, in het eindklassement eindigde ze eveneens op de tweede plaats. Op de wereldkampioenschappen langlaufen 2007 in Sapporo eindigde de Noorse als negende op de 30 kilometer klassieke stijl, als tiende op de sprint, op de achtervolging eindigde ze als twaalfde en op de 10 kilometer vrije stijl als 22e. Samen met Astrid Jacobsen sleepte ze de bronzen medaille in de wacht op het onderdeel teamsprint, op de estafette legde ze samen met Jacobsen, Vibeke Skofterud en Kristin Størmer Steira beslag op de bronzen medaille. In het daaropvolgende seizoen, wereldbeker langlaufen 2007/2008 boekte Bjørgen wederom twee wereldbekerzeges maar eindigde ze slechts als elfde in het eindklassement. In het seizoen wereldbeker langlaufen 2008/2009 wist de Noorse geen wereldbekerwedstrijd te winnen maar eindigde ze mede dankzij vier podiumplaatsen als tiende in het eindklassement. In Liberec nam Bjørgen deel aan de wereldkampioenschappen langlaufen 2009. Op dit toernooi eindigde ze als tiende op de sprint, als zestiende op de 10 kilometer klassieke stijl en als negentiende op de 15 kilometer achtervolging. Op de estafette eindigde ze samen met Therese Johaug, Kristin Størmer Steira en Marthe Kristoffersen op de vierde plaats. Na bijna twee jaar zonder wereldbekerzege schreef de Noorse de openingswedstrijd van het seizoen 2009/2010, in Beitostølen, op haar naam. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2010 in Vancouver won Bjørgen zowel goud op de sprint klassieke stijl als de 15 kilometer achtervolging, daarnaast veroverde ze het zilver op de 30 kilometer klassieke stijl en het brons op de 10 kilometer vrije stijl. Op de estafette sleepte ze samen met Vibeke Skofterud, Therese Johaug en Kristin Størmer Steira de gouden medaille in de wacht.
Op de wereldkampioenschappen langlaufen 2011 in Oslo werd ze wereldkampioene op de sprint, de 10 kilometer klassieke stijl en de 15 kilometer achtervolging. Op de 30 kilometer vrije stijl behaalde ze de zilveren medaille. Samen met Vibeke Skofterud, Therese Johaug en Kristin Størmer Steira veroverde ze de wereldtitel op de estafette. In het seizoen 2011/2012 won de Noorse voor de derde maal in haar carrière de algemene wereldbeker. In Val di Fiemme nam Bjørgen deel aan de wereldkampioenschappen langlaufen 2013. Op dit toernooi prolongeerde ze de wereldtitels op de sprint en de 15 kilometer skiatlon. Daarnaast werd ze wereldkampioene op de 30 kilometer klassieke stijl, op de 10 kilometer vrije stijl legde ze beslag op de zilveren medaille. Op de estafette prolongeerde ze samen met Heidi Weng, Therese Johaug en Kristin Størmer Steira de wereldtitel. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2014 in Sotsji veroverde ze de gouden medaille op zowel de 15 kilometer skiatlon en de 30 kilometer vrije stijl, daarnaast eindigde ze als vijfde op de 10 kilometer klassieke stijl en als elfde op de sprint. Samen met Ingvild Flugstad Østberg werd ze olympisch kampioene op de teamsprint, op de estafette eindigde ze samen met Heidi Weng, Therese Johaug en Astrid Jacobsen op de vijfde plaats.
Op de wereldkampioenschappen langlaufen 2015 in Falun prolongeerde Bjørgen de wereldtitel op de sprint. Daarnaast behaalde ze de zilveren medaille op de 30 kilometer klassieke stijl en eindigde ze als zesde op de 15 kilometer skiatlon en als 31e op de 10 kilometer vrije stijl. Samen met Heidi Weng, Therese Johaug en Astrid Jacobsen werd ze opnieuw wereldkampioene op de estafette. In het seizoen 2014/2015 greep de Noorse de eindzege in alle wereldbekerklassementen en schreef ze voor de eerste maal in haar carrière de Tour de Ski op haar naam. Het seizoen 2015/2016 miste ze vanwege de zwangerschap en de geboorte van haar zoon. In Lahti nam ze deel aan de wereldkampioenschappen langlaufen 2017. Op dit toernooi veroverde ze de wereldtitels op de 10 kilometer klassieke stijl, de 15 kilometer skiatlon en de 30 kilometer vrije stijl. Op de sprint eindigde ze op de zestiende plaats. Op de estafette behaalde ze samen met Maiken Caspersen Falla, Heidi Weng en Astrid Jacobsen voor de vierde maal op rij de wereldtitel. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2018 in Pyeongchang veroverde Bjørgen de gouden medaille op de 30 kilometer klassieke stijl, de zilveren medaille op de 15 kilometer skiatlon en de bronzen medaille op de 10 kilometer vrije stijl. Samen met Ingvild Flugstad Østberg, Astrid Jacobsen en Ragnhild Haga werd ze olympisch kampioene op de estafette, op de teamsprint sleepte ze samen met Maiken Caspersen Falla de bronzen medaille in de wacht. Door deze prestaties werd ze met acht gouden, vier zilveren en drie bronzen medailles de succesvolste winterolympiër ooit is.[1] Op 6 april 2018 maakte de Noorse bekend te stoppen met langlaufen.[2]