Han vant tre gull i vinter-OL 2018 i Pyeongchang og ble med det tidenes yngste mannlige OL-vinner i langrenn. Samme sesong ble han også tidenes yngste mannlige sammenlagtvinner av verdenscupen i langrenn. Klæbo vant Tour de Ski 2018/19, også her som yngste mannlige vinner noensinne. Han vant også Tour de Ski 2021/22, 2022/23, og 2024/25. Han er tre ganger verdensmester fra VM 2019 i Seefeld, fra VM 2021 i Oberstdorf og fra VM 2023 i Planica. Fra VM 2017 i Lahtis har han en bronsemedalje.