Pierwszy sukces w karierze Marianne Vos odniosła w 2004 roku, kiedy zdobyła złoty medal w wyścigu ze startu wspólnego podczas szosowych mistrzostw świata juniorów. W &lt;a href="Puchar%20%C5%9Awiata%20w%20kolarstwie%20prze%C5%82ajowym%202003/2004"&gt;sezonie 2003/2004&lt;/a&gt; była druga w klasyfikacji generalnej Pucharu Świata w kolarstwie przełajowym, przegrywając tylko z Niemką Hanką Kupfernagel. Już dwa lata później zdobyła złoty medal w kategorii elite podczas przełajowych mistrzostw świata w Zeddam oraz zwyciężyła w wyścigu ze startu wspólnego na szosowych mistrzostwach świata w Salzburgu. W sezonie 2007 zwyciężyła w klasyfikacji generalnej Pucharu Świata kobiet w kolarstwie szosowym oraz zajęła drugie miejsce w wyścigu ze startu wspólnego na mistrzostwach świata w Stuttgarcie. Kolejne cztery medale zdobyła w 2008 roku: srebrny na przełajowych mistrzostwach świata w Treviso, srebrny ze startu wspólnego na mistrzostwach świata w Varese, złoty w wyścigu punktowym na igrzyskach olimpijskich w Pekinie oraz kolejny złoty w tej samej konkurencji podczas torowych mistrzostw świata w Manchesterze. Dzięki temu została pierwszą w historii kolarką, która zdobyła złote medale na igrzyskach olimpijskich, a także na szosowych, torowych oraz przełajowych mistrzostwach świata. W sezonie 2008 była także trzecia w szosowym PŚ, ulegając jedynie Niemce Judith Arndt oraz swej rodaczce Suzanne de Goede.