Bjørgen sijoittui Torinon olympialaisissa 2006 10 kilometrillä toiseksi. Sapporon MM-kilpailuissa 2007 hän sai pronssia sekä parisprintissä että viestissä. Vancouverin olympialaisissa 2010 Bjørgen voitti perinteisen tyylin sprintissä, yhdistelmäkilpailussa sekä viestissä kultaa, 30 kilometrin perinteisellä hopeaa ja vapaan tyylin 10 kilometrillä pronssia. Oslon MM-kilpailuissa 2011 hän voitti maailmanmestaruuden sprintissä, 10 kilometrillä, yhdistelmäkilpailussa ja viestissä sekä sai hopeaa 30 kilometrillä. Kansainvälisen urheilutoimittajien yhdistyksen AISP:n jäsenet äänestivät Bjørgenin vuoden 2011 parhaaksi urheilijaksi yhdessä tennispelaaja Novak Đokovićin kanssa. Val di Fiemmessä 2013 hän voitti sprintin maailmanmestaruuden ja toisessa kilpailussaan yhdistelmäkilpailussa hän saavutti kymmenennen maailmanmestaruutensa. 10 kilometrin vapaan hiihtotavan kilpailussa hän sai hopeaa. Viestistä hän voitti kultaa yhdessä Norjan joukkueen kanssa. Hän voitti myös 30 kilometrin maailmanmestaruuden.