Martin Johnsrud Sundby remporte neuf médailles lors des Championnats du monde. Il emporte deux médailles lors des Mondiaux 2011, avec la médaille d'or du relais aux côtés d'Eldar Rønning, Tord Asle Gjerdalen et Petter Northug et le bronze sur le quinze kilomètres classique derrière Matti Heikkinen et Rønning. En 2013, il obtient la médaille d'argent au skiathlon. Lors de l'édition de 2017, il remporte la médaille d'argent du skiathlon et du quinze kilomètres classique, puis le titre avec le relais, également composé de Didrik Tønseth, Niklas Dyrhaug et Finn Hågen Krogh. Il obtient son premier titre individuel lors de l'édition de 2019, sur le quinze kilomètres classique, remportant également une médaille de bronze sur le skiathlon et l'or avec le relais norvégien, avec Emil Iversen, Sjur Røthe et Johannes Høsflot Klæbo.