Cancellara tiene un total de 96 victorias como profesional. Su palmarés goza de una enorme calidad, siendo uno de los corredores más exitosos de principios del siglo XXI. Sus triunfos, dotados de gran espectáculo, son calificados como únicos e irrepetibles. Entre sus victorias más importantes se encuentran 11 etapas en Grandes Vueltas (8 etapas en el Tour de Francia y 3 etapas en la Vuelta España), la París-Roubaix 2006, 2010 y 2013, la Vuelta a Dinamarca 2006, la Strade Bianche 2008, 2012 y 2016, la Tirreno-Adriático 2008, la Milán-San Remo 2008, la Vuelta a Suiza 2009, la E3 Harelbeke 2010, 2011 y 2013, el Tour de Flandes 2010, 2013 y 2014, el Campeonato Mundial Contrarreloj 2006, 2007, 2009 y 2010 y la medallas de oro, en la modalidad de contrarreloj. en los Juegos Olímpicos de Pekín 2008 y de Río de Janeiro 2016. También obtuvo la medalla de bronce en el Campeonato Mundial Contrarreloj 2005, 2011 y 2013 y la medalla de plata en los Juegos Olímpicos (prueba en línea) de Pekín 2008 tras la descalificación de Davide Rebellin por dopaje.