Bjørgen fikk sitt gjennombrudd i seniorklassen da hun kom på tredjeplass på 5 km klassisk under NM på Steinkjer i 2001, noe som førte til at hun ble tatt ut på Norges lag under VM 2001 i Lahtis. Hun ble tatt opp på Norges Skiforbunds elitelag i 2001. På sprinten i Düsseldorf 26. oktober 2002 vant hun sitt første verdenscuprenn. Etter det ble hun raskt en av verdens beste sprintere. Bjørgen tok tre verdenscupseire i sprintrenn i sesongen 2002/2003, og hun vant sprintverdenscupen denne sesongen. Hun vant sprintøvelsen under VM i 2003, og hun ble tildelt Olavstatuetten i 2003. I sesongen 2003/2004 kom hun på andreplass i verdenscupen sammenlagt. Etter hvert ble hun også bedre på lengre distanser, hun vant sitt første verdenscuprenn i distanselangrenn i Gällivare 20. november 2004. På landslaget var Svein Tore Samdal hennes trener. I sesongforberedelsene delte Bjørgen inn treningen i bolker med opptil tolv dager på rad med intens hardtrening, noen av dagene med to økter.