En 2020, il commence sa saison sur route à l'Étoile de Bessèges où une douleur au genou l'oblige à abandonner l'épreuve. Quelques semaines plus tard, il participe aux championnats du monde de cyclisme sur piste et s'adjuge pour la seconde fois le titre de champion du monde de l'omnium. Il finit également sixième de l'américaine. La pandémie de Covid-19 et l'annulation des compétitions qui en découle ne lui permettent pas de prendre part à d'autres courses au premier semestre. En juillet, il participe aux Six Jours de Fiorenzuola d'Arda où il gagne trois courses organisées en marge de l'épreuve italienne. En août, il s'aligne au départ du Tour de Lombardie et dispute son premier "monument du cyclisme" à cette occasion. il se classe également deuxième du championnat de France du contre-la-montre derrière Rémi Cavagna et sixième du Tour Poitou-Charentes en Nouvelle-Aquitaine remporté par son coéquipier Arnaud Démare. Toujours durant l'été, il est sélectionné en équipe de France pour le contre-la-montre des championnats du monde organisés à Imola. Il prend part pour la première fois au Tour d'Italie au début du mois d'octobre. Malade, il doit abandonner cette course dès la cinquième étape.