Am 26. Oktober 2002 gewann Bjørgen ihr erstes Rennen, den Sprint in Düsseldorf. Ihre erste Goldmedaille gewann sie bei den Weltmeisterschaften 2003 im Sprintrennen, hinzu kam Silber mit der Staffel. Ebenfalls 2003 entschied sie erstmals den Sprintweltcup für sich. Diesen Erfolg wiederholte sie in den drei darauf folgenden Jahren. Im November 2004 gewann sie erstmals ein Rennen über eine längere Distanz, einen 10-Kilometer-Lauf in Gällivare. Bei der Weltmeisterschaft 2005 war sie die erfolgreichste Athletin überhaupt; sie wurde Weltmeisterin im Teamsprint (zusammen mit Hilde G. Pedersen), über 30 km und mit der Staffel; zwei weitere Medaillen, Silber bzw. Bronze, gewann sie im Verfolgungsrennen und über 10 km. Darüber hinaus war Bjørgen Ende der Saison 2004/05 auf dem ersten Platz der Weltcup-Gesamtwertung.