W 1989 r. zadebiutował na mistrzostwach świata biorąc udział w mistrzostwach w Lahti. Zajął tam 11 miejsce w biegu na 50 km techniką dowolną. Swój pierwszy medal zdobył na mistrzostwach świata w Val di Fiemme, gdzie zwyciężył w biegu na 15 km stylem dowolnym. Na tych mistrzostwach zdobył także drugi złoty medal zwyciężając razem z Øyvindem Skaanesem, Terje Langlim i Vegardem Ulvangiem w sztafecie 4x10 km. Dwa lata później, na mistrzostwach świata w Falun zwyciężył w biegu pościgowym 10+15 km oraz w biegu na 30 km stylem klasycznym, a sztafeta norweska z Bjørnem w składzie obroniła tytuł wywalczony w Val di Fiemme. Na tych samym mistrzostwach zajął także 3 miejsce w biegu na 50 km technika dowolną, wyprzedzili go jedynie pierwszy na mecie Szwed Torgny Mogren oraz Francuz Hervé Balland. Podczas mistrzostw świata w Thunder Bay Dæhlie zdobył jeden złoty medal, w sztafecie 4x10 km, razem z Sivertsenem, Jevne i Alsgaardem. Indywidualnie zdobył trzy srebrne medale: na 50 km techniką dowolną, gdzie uległ Włochowi Silvio Faunerowi oraz na 10 i 30 km techniką klasyczną, gdzie górą był jeden z jego największych rywali, reprezentant Kazachstanu Władimir Smirnow. Na mistrzostwach świata w Trondheim sztafeta norweska, w której ponownie startował Dæhlie, po raz czwarty z rzędu wywalczyła złoty medal. Indywidualnie został mistrzem świata w biegu pościgowym 10+15 km i biegu na 10 km techniką klasyczną. Zdobył także srebrny medal w biegu na 30 km stylem dowolnym, ulegając jedynie Aleksiejowi Prokurorowowi z Rosji, oraz brązowy medal na dystansie 50 km techniką klasyczną, bieg ten wygrał Fin Mika Myllylä. Na swoich ostatnich mistrzostwach rozgrywanych w Ramsau w 1999 r. indywidualnie zdobył tylko jeden medal, w biegu na 30 km techniką dowolną. Sztafeta norweska wywalczyła tym razem srebrny medal, przegrywając złoto z Austriakami na ostatniej zmianie o 0,2 s. W sztafecie wystąpili kolejno Espen Bjervig, Erling Jevne, Bjørn Dæhlie i Thomas Alsgaard.