Professionista su strada dal 1969 al 1984, seppe imporsi in tutte e cinque le classiche "monumento", Milano-Sanremo (1973, 1978 e 1979), Giro delle Fiandre (1977), Parigi-Roubaix (1972, 1974, 1975 e 1977), Liegi-Bastogne-Liegi (1970) e Giro di Lombardia (1974 e 1976), primato questo che condivide con i connazionali Rik Van Looy ed Eddy Merckx. Di Merckx fu contemporaneo, diventandone il principale rivale per le classiche ma non riuscendo mai a impensierirlo nelle grandi gare a tappe. Vinse comunque in totale 259 corse su strada, tra cui ventidue frazioni al Giro d'Italia, sei Tirreno-Adriatico, numerose altre gare di un giorno e un centinaio di criterium, e fu medaglia d'argento ai campionati del mondo professionisti nel 1975. Molto attivo anche nel ciclocross (come pure il fratello maggiore Eric De Vlaeminck), si laureò campione del mondo di specialità tra i dilettanti nel 1968 e tra i professionisti nel 1975.