Bjørndalen se poprvé prosadil na juniorském mistrovství světa v Ruhpoldingu 1993, odkud si překvapivě odvezl tři ze čtyř zlatých medailí. Na mistrovství světa dospělých získal své první medaile v roce 1997 v Osrblie. Jednalo se o stříbrnou medaili ze štafetového závodu a o bronzovou medaili ze stíhacího závodu. První zlatou medaili na světovém šampionátu vybojoval v roce 1998 v Pokljuce, kde napomohl k vítězství v týmovém závodě. Na tomto šampionátu získal také stříbro ve stíhacím závodě. Další stupně vítězů vybojoval také na mistrovstvích v letech 1999, 2000 a 2001. Na mistrovství světa 2003 v Chanty-Mansijsku získal první zlaté medaile také v individuálních závodech, když vyhrál sprint a závod s hromadným startem. V Oberhofu na mistrovství světa 2004 získal čtyři cenné kovy a o rok později, v Hochfilzenu 2005, vybojoval čtyři zlaté medaile – ve sprintu, stíhacím závodě, štafetě a závodě s hromadným startem. V roce 2007 rozšířil sbírku medailí o další tři medaile, z toho dvě zlaté ze sprintu a stíhacího závodu. Na mistrovství světa 2008 v Östersundu obsadil stupně vítězů v pěti závodech a stal se mistrem světa ve stíhacím závodě. Čtyři prvenství vybojoval také v závodech na mistrovství světa 2009 v Pchjongčchangu. V letech 2010–2015 získal na světových šampionátech dalších sedm medailí ve štafetových závodech a na domácím Mistrovství světa v biatlonu 2016 v Oslu získal stříbrnou medaili ve sprintu i v následném stíhacím závodě a s norským mužským týmem dokázal triumfovat ve štafetě. V závodu s hromadným startem přidal ještě bronzovou medaili. Medailovou sbírku rozšířil i na Mistrovství světa v biatlonu 2017 v Hochfilzenu, kde získal ve stíhacím závodě bronzovou medaili.