Swój pierwszy medal wśród seniorów wywalczył podczas mistrzostw świata w Ramsau am Dachstein, gdzie wywalczył brązowy medal w beigu na 10 km techniką klasyczną. Dwa lata później, na mistrzostwach świata w Lahti zdobył wraz z Frode Estilem, Thomasem Alsgaardem i Torem Arne Hetlandem złoty medal w sztafecie 4x10 km oraz brąz w biegu na 15 km techniką klasyczną. Nie udało mu się zdobyć żadnego medalu podczas mistrzostw świata w Val di Fiemme, jego najlepszym wynikiem było ósme miejsce w bieguna 30 km stylem klasycznym. Dwa lata później, na mistrzostwach świata w Oberstdorfie wywalczył razem z Estilem, Tore Ruudem Hofstadem i Larsem Bergerem złoty medal w sztafecie. Na tych samych mistrzostwach zajął trzecie miejsce w biegu na 50 km stylem klasycznym. Podczas mistrzostw świata w Sapporo sztafeta norweska z Hjelmesetem w składzie obroniła tytuł wywalczony w Oberstdorfie, a Hjelmeset został mistrzem świata w biegu na 50 km techniką klasyczną. Na swoich szóstych mistrzostwach z rzędu odbywających się w Libercu Hjelmeset był członkiem norweskiej sztafety która po raz kolejny zdobyła złoty medal.