Bjørndalen debuterte i verdenscupen i mars 1993, og tok samtidig sine første verdenscuppoeng ved å bli nummer 29 på 20 km. Den første seieren tok han 12. januar 1996 i Antholz, der han vant 20 km foran Vladimir Dratsjov og Halvard Hanevold. Med seieren på 15 km i langrenn fra 2006 har han 95 verdenscupseirer totalt.