En el seu palmarès destaquen dues segones posicions al Campionat del Món de ciclisme en ruta, el 2007 i 2009 i la medalla de bronze als Jocs Olímpics de Pequín. En un primer moment finalitzà la cursa en quarta posició, però mesos després, el 28 d'abril de 2009 la premsa italiana anuncià que Davide Rebellin, segon de la cursa, havia estat un dels sis esportistes que havien donat positiu per EPO-CERA en un control antidopatge durant els Jocs Olímpics de Pequín. Això li comportarà la pèrdua de la medalla de plata que havia guanyat, la qual anà a parar a mans del suís Fabian Cancellara i que la de bronze anés a mans seves.