Pierwszy sukces w karierze Klaas Vantornout osiągnął w 2010 roku, kiedy zdobył srebrny medal w kategorii elite podczas mistrzostw świata w Taborze. W zawodach tych wyprzedził go jedynie Czech Zdeněk Štybar, a trzecie miejsce zajął kolejny Belg, Sven Nys. Wynik ten powtórzył na rozgrywanych trzy lata później mistrzostwach świata w Louisville, gdzie lepszy był tylko Sven Nys, a na najniższym stopniu podium stanął Holender Lars van der Haar. Kilkakrotnie zdobywał medale mistrzostw kraju, w tym złoty w 2012 roku. Najlepsze wyniki w Pucharze Świata w kolarstwie przełajowym osiągał w sezonach &lt;a href="Puchar%20%C5%9Awiata%20w%20kolarstwie%20prze%C5%82ajowym%202009/2010"&gt;2009/2010&lt;/a&gt; i &lt;a href="Puchar%20%C5%9Awiata%20w%20kolarstwie%20prze%C5%82ajowym%202011/2012"&gt;2011/2012&lt;/a&gt;, kiedy był czwarty w klasyfikacji generalnej. Brał też udział w wyścigach szosowych, jednak bez większych sukcesów.