Nachdem Northug sich in seiner Jugend auch als Biathlet und Skispringer versuchte hatte, entschied er sich aufgrund seiner Laufstärke sich voll und ganz auf den Skilanglauf zu konzentrieren, woraufhin er schon im Alter von 16 Jahren im Continental Cup eingesetzt wurde. Im Februar 2004 folgte sein erster Einsatz bei Nordischen Junioren-Weltmeisterschaften im heimischen Stryn, wo er als einziger norwegischer Starter das Halbfinale im Sprint erreichte und Platz sechs im Endklassement belegen konnte. Über die 10 Kilometer Freistil belegte er beim Sieg des Deutschen Franz Göring direkt hinter Dario Cologna den 25. Platz. In der Saison 2004/05 wurde er nach guten Resultaten im Scandinavian Cup, unter anderem ein zweiter Platz über 15 Kilometer Freistil in Lapinlahti, erstmals im Weltcup eingesetzt. Als jüngster Athlet im Starterfeld verpasste er als 35. im Sprint in Drammen knapp die Finalläufe. Zwei Wochen später bei den Junioren-Weltmeisterschaften in Rovaniemi zeigte er erneut, welche großes Potential in ihm steckt. Gleich zu Beginn der Titelkämpfe sicherte er sich im Endspurt den Titel im Verfolgungswettbewerb. Über die 10 Kilometer Freistil Distanz siegte er deutlich mit 30 Sekunden Vorsprung vor dem Japaner Keishin Yoshida, im Sprintwettbewerb, der in der klassischen Technik ausgetragen wurde, musste er sich nur seinem Landsmann Even Sletten geschlagen geben und im abschließenden Staffelwettbewerb sicherte er sich mit dem norwegischen Team die Silbermedaille hinter der siegreichen russischen Staffel.