Sa première partie de saison 2019 est plus difficile. Fin juillet, il est sélectionné pour représenter son pays aux championnats d'Europe de cyclisme sur route et classe vingt-quatrième de la course en ligne. Le de la même année, il remporte en solitaire le Grand Prix d'Isbergues, disputé sur une chaussée détrempée. Une semaine plus tard, sous un déluge qui conduit à écourter d'une vingtaine de kilomètres la course, il devient champion du monde sur route surprise à Harrogate dans le Yorkshire devant l'Italien Matteo Trentin et le Suisse Stefan Küng. Après que le favori de la course, le Néerlandais Mathieu van der Poel, a été lâché du groupe de tête, Mads Pedersen devient ainsi le premier champion du monde sur route danois après les places de Leif Mortensen en 1970, Bo Hamburger en 1997 et Matti Breschel en 2010.