Pendleton errang bei der Bahn-WM 2005 in Los Angeles ihren ersten Titel; es war der erste Titel einer Britin seit 40 Jahren. Bei den Commonwealth Games 2006 in Melbourne errang sie eine Gold- sowie eine Silbermedaille. Bei den UCI-Bahn-Weltmeisterschaften 2007 gelang ihr der Hattrick mit drei Goldmedaillen in Keirin, Sprint und Teamsprint. Dafür wurde sie in Großbritannien als erste Radrennsportlerin überhaupt zur Sportlerin des Jahres gewählt. Diese Erfolge konnte sie 2008 bei den Olympischen Spielen in Peking mit einer Goldmedaille im Einzelsprint bestätigen, der einzigen Disziplin, die für Frauen in Peking angeboten wurde. Dafür wurde sie mit der M.B.E-Ehrung von Königin Elisabeth II. ausgezeichnet. Bei der Bahn-WM 2008 in Manchester gewann Victoria Pendleton zwei Titel, im Keirin und Teamsprint, und wurde sowohl 2009 wie auch 2010 Weltmeisterin im Sprint. In der Saison 2010/2011 entschied sie die Gesamtwertung im Sprint des Bahnrad-Weltcups für sich.