Après une première participation en 2008 avec l'équipe Barloword, il prend part au Tour de France 2012 sous les couleurs de Sky dans le but d'aider son leader Bradley Wiggins à remporter ce Tour et termine deuxième derrière lui. La même année, il est médaillé de bronze en contre-la-montre aux Jeux olympiques. L'année suivante, il remporte la centième édition du Tour de France. Après une saison difficile en 2014, il est vainqueur d'un second Tour de France en 2015 et réitère son succès l'année suivante. En 2017, après un début de saison sans résultat, il remporte son quatrième Tour de France puis réalise le doublé en remportant le Tour d'Espagne, comme Jacques Anquetil en 1963 et Bernard Hinault en 1978.