Pierwszy sukces Eleonora van Dijk osiągnęła w 2004 roku, kiedy na mistrzostwach świata juniorów w kolarstwie szosowym w Weronie wywalczyła brązowy medal. Najlepsze wyniki osiągnęła jednak cztery lata później, kiedy na mistrzostwach świata w Manchesterze zdobyła złoty medal w scratchu. W tym samym roku została także mistrzynią świata do lat 23 w kolarstwie szosowym oraz dwukrotną mistrzynią świata do lat 23 w kolarstwie torowym. W 2010 roku wystąpiła na mistrzostwach świata w Kopenhadze, zajmując piąte miejsce w indywidualnym wyścigu na dochodzenie oraz drużynowym wyścigu na dochodzenie, a w wyścigu punktowym była ósma. W barwach zespołu Team Specialized–lululemon zdobyła złote medale w drużynowej jeździe na czas podczas mistrzostw świata w Valkenburgu (2012) i mistrzostw świata we Florencji (2013). Na szosowych MŚ w 2013 roku zwyciężyła także w indywidualnej jeździe na czas, wyprzedzając bezpośrednio reprezentującą Nową Zelandię Lindę Villumsen oraz Carmen Small z USA. Ponadto w sezonie 2013 zajęła trzecie miejsce w klasyfikacji generalnej Pucharu Świata w kolarstwie szosowym, ulegając jedynie swej rodaczce – Marianne Vos oraz Szwedce Emmie Johansson.