Ensimmäisiin arvokilpailuihinsa Bjørgen osallistui Lahden MM-kilpailuissa 2001 sijoittuen takaa-ajossa 19:nneksi ja 10 kilometrin perinteisellä 24:nneksi. Salt Lake Cityn olympialaisissa 2002 hän sai viestihopeaa. 2003 Val di Fiemmen MM-hiihdoissa hän voitti sprinttimaailmanmestaruuden ja sai hopeaa viestissä. 2005 Oberstdorfissa hän karsiutui yllättäen sprinttifinaalista, mutta voitti kuitenkin maailmanmestaruudet 30 kilometrin perinteisen hiihtotavan kilpailussa, sprinttiviestissä yhdessä Hilde G. Pedersenin kanssa sekä 4 × 5 kilometrin viestissä. Lisäksi hän sai hopeaa yhdistelmäkilpailussa ja pronssia 10 kilometrillä.