I 1992 i Canmore i Canada oppnådde han sin første junior-VM-medalje med bronse i lagkonkurransen. Året etter vant han tre øvelser i junior-VM i Ruhpolding i Tyskland, mens han var elev ved Norges Toppidrettsgymnas Geilo. Bjørndalen skulle vise seg å være i stand til å videreføre suksessen til seniorsammenheng også. Bjørndalen er en uvanlig rask skiskytter, og han har ved flere tilfeller konkurrert med, og vunnet over spesial-langrennsløpere. I 2006 vant han et renn i verdenscupen i langrenn. Bjørndalen vant sitt første OL-gull i Nagano 1998 på 10 km sprint. På vei mot mål ledet han, men løpet ble avbrutt på grunn av så stort snøfall at løperne nesten ikke kunne se blinkene på 50 meters hold. Dagen etter vant han det utsatte løpet. Bjørndalen ble den første skiskytter som tok storeslem og vant alle fire skiskytterøvelsene i et OL under lekene i Salt Lake City i 2002. Han vant sitt første individuelle VM-gull på sprinten under VM i skiskyting 2003.