Atleta completa, capace di primeggiare nelle diverse specialità del ciclismo, è considerata una delle migliori cicliste di tutti i tempi. Ai Giochi olimpici ha vinto due medaglie d'oro, nella corsa a punti su pista a Pechino 2008 e nella corsa in linea su strada a Londra 2012, oltre a una medaglia d'argento nella corsa in linea su strada a Parigi 2024. È stata inoltre campionessa del mondo in linea su strada nel 2006, nel 2012 e nel 2013, e argento nei cinque anni tra il 2007 ed il 2011, nonché otto volte campionessa del mondo di ciclocross (nel 2006, dal 2009 al 2014 e nel 2022) e due volte campionessa del mondo su pista (nel 2008 e nel 2011).
Carriera I primi anni e le stagioni da Junior Riceve la sua primi bicicletta a sei anni, e comincia ad allenarsi con il fratello maggiore Anton, anch'egli ciclista. Inizialmente si allena con la squadra del fratello, in quanto non ha ancora la possibilità di partecipare a gare ufficiali; durante l'inverno successivo inizia ad allenarsi anche nel ciclocross. Ad otto anni ha la possibilità di partecipare alla sua prima corsa. In gioventù pratica anche pattinaggio di velocità e pattinaggio in linea.
Nell'ottobre 2001, all'età di quattordici anni, ottiene il primo successo in una gara open di ciclocross. Nel 2002 diventa campionessa nazionale Juniores sia su strada che nella mountain bike, mentre, nella medesima categoria, si piazza seconda nel campionato nazionale a cronometro dietro a Roxane Knetemann. L'anno dopo difende con successo il titolo nazionale Juniores della mountain bike; ai campionati nazionali a cronometro su strada di categoria chiude invece ancora seconda, questa volta dietro a Maxime Groenewegen. Per quanto concerne l'attività nel ciclocross, nella stagione 2002-2003 si aggiudica nove gare, cogliendo anche alcuni piazzamenti in prove di Coppa del mondo, mentre nella stagione 2003-2004 ottiene tre successi; partecipa anche, tra le Élite, sia ai campionati europei che ai campionati del mondo, classificandosi rispettivamente seconda, alle spalle di Hanka Kupfernagel, e settima.
Nel 2004 è terza nel campionato nazionale Juniores su strada, sia in linea che a cronometro, battuta in entrambe le prove da Ellen van Dijk; per la terza volta consecutiva diventa quindi campionessa nazionale Juniores nella mountain bike. Domina infine la gara Juniores ai campionati del mondo su strada a Verona: all'età di diciassette anni, e al primo anno nella categoria, diventa campionessa iridata battendo l'italiana Marta Bastianelli e la stessa Van Dijk. Nella stagione 2004-2005 di ciclocross coglie quindi due vittorie tra le Élite; partecipa anche ai campionati nazionali di ciclocross, terminando al secondo posto alle spalle di Daphny van den Brand.
2005-2006: gli esordi da Élite su strada e il titolo mondiale di cross Da campionessa mondiale su strada Juniores in carica, nel 2005 Vos conquista il suo primo titolo nazionale di categoria battendo la campionessa in carica Ellen van Dijk; chiude però ancora terza nella gara nazionale a cronometro, dietro alla stessa Van Dijk e a Maxime Groenewegen. Durante l'anno inizia occasionalmente a gareggiare nelle prove su strada della categoria Élite, ottenendo anche un successo, all'Omloop van Borsele, davanti ad Adrie Visser. Ai campionati mondiali Juniores su strada di Salisburgo cerca di difendere il titolo iridato, ma finisce seconda dietro alla danese Mie Bekker Lacota. In stagione vince anche il suo quarto nazionale titolo Juniores nella mountain bike.
Nella stagione 2005-2006 di ciclocross si aggiudica invece sette gare Élite. In ottobre vince il titolo europeo, nel gennaio seguente è seconda al campionato nazionale e quindi medaglia d'oro al campionato del mondo di Zeddam. In quella gara solo Hanka Kupfernagel e Daphny van den Brand sono in grado di tenerle testa: la prova si decide negli ultimi metri, con Vos che supera allo sprint la tedesca aggiudicandosi la medaglia d'oro.
2006: l'affermazione tra le Élite e il titolo mondiale su strada
Durante la stagione 2006 delle gare su strada, Vos comincia a vincere con regolarità. Si aggiudica prima una tappa alla Gracia-Orlová in Repubblica Ceca, poi ancora l'Omloop van Borsele, quindi una tappa all'Emakumeen Bira in Spagna e il titolo nazionale Élite (il primo per lei) su strada davanti a Sharon van Essen e Suzanne de Goede. In giugno il NOC*NSF, il comitato olimpico olandese, la insignisce così del premio di "Talento sportivo dell'anno 2006"; Vos precede nella classifica del premio la pentatleta Laurien Hoos e il ginnasta Epke Zonderland. Vince a seguire il titolo europeo su strada Under-23, davanti all'italiana Tatiana Guderzo e due tappe e la classifica generale del Tour en Limousin. In agosto firma un contratto quinquennale con la squadra DSB-Ballast Nedam e poco tempo dopo vince la sua prima gara con la nuova maglia, aggiudicandosi una tappa al Trophée d'Or.
Il 23 settembre 2006 si presenta ai campionati del mondo su strada di Salisburgo per debuttare e gareggiare nella prova in linea Élite. Durante la gara rimane in gruppo nonostante l'attacco della britannica Nicole Cooke; tenta poi lei stessa l'attacco, ma viene ripresa. La gara si risolve in volata: è la stessa Vos, appena diciannovenne, a vincere la maglia iridata, battendo le avversarie in volata. Nel finale di anno solare vince anche la medaglia di bronzo ai campionati europei di ciclocross, preceduta da Daphny van den Brand e Hanka Kupfernagel.
2007-2008: il titolo olimpico su pista e gli argenti mondiali Nel 2007 Vos comincia ad affermarsi nelle principali prove mondiali. In stagione vince la Freccia Vallone e il Rund um die Nürnberger Altstadt, gare di Coppa del mondo, quattro tappe al Tour de l'Aude e una al Giro d'Italia, il suo secondo titolo europeo Under-23 in linea, ancora davanti a Bastianelli; si piazza inoltre terza al Giro delle Fiandre e al Ronde van Drenthe, e seconda al Berner Rundfahrt, ottenendo così la vittoria nella classifica di Coppa del mondo. Conclude la stagione con la medaglia d'argento in linea ai campionati del mondo di Stoccarda, anticipata da Bastianelli ma vincitrice della volata delle battute.
Apre la stagione 2008 con l'argento iridato di ciclocross a Treviso, e l'oro nella corsa a punti ai campionati del mondo su pista a Manchester. Su strada si piazza invece seconda al Ronde van Drenthe e si conferma vittoriosa alla Freccia Vallone; conquista poi tre tappe e la classifica finale alla Gracia-Orlová, diverse gare nel Salvador, quattro tappe e la classifica finale alla Iurreta-Emakumeen Bira, e il suo secondo titolo nazionale in linea, staccando Mirjam Melchers e tutte le rivali. In agosto partecipa ai suoi primi Giochi olimpici, a Pechino: nella rassegna a cinque cerchi ottiene, nonostante le aspettative di podio, "solo" il sesto posto nella corsa in linea vinta da Nicole Cooke, si rifà però otto giorni dopo vincendo il titolo olimpico nella corsa a punti su pista. Conclude la stagione con la medaglia d'argento in linea ai campionati del mondo su strada di Varese, battuta in volata ristretta proprio da Nicole Cooke.
2009-2011: gli argenti mondiali, le Coppe del mondo e il primo Giro
2012-2013: il titolo olimpico su strada e le doppiette mondiale-Coppe del mondo Nel 2012 vince il suo quinto titolo mondiale di ciclocross a Koksijde; su strada si impone invece al Trofeo Alfredo Binda, al Grand Prix Elsy Jacobs e in ben cinque tappe del Giro d'Italia, vincendo ancora la classifica generale della "Corsa rosa" e la relativa classifica a punti. Il 29 luglio a Londra conquista quindi, da grande favorita, il titolo olimpico nella corsa in linea, superando in una volata ristretta Elizabeth Armitstead e Ol'ga Zabelinskaja; è il secondo oro olimpico per lei dopo quello nella corsa a punti a Pechino 2008. Dopo i Giochi conquista anche il Grand Prix de Plouay, lo Holland Tour e quindi, il 22 settembre sulle strade di Valkenburg, il suo secondo titolo mondiale su strada, a sei anni di distanza dal primo alloro; nell'occasione, sfruttando il percorso vallonato, anticipa tutte le rivali vincendo in solitaria. La stagione la vede prevalere anche nella classifica individuale di Coppa del mondo, e a fine anno viene scelta come "Ciclista internazionale dell'anno" dalla rivista Velo News.
L'anno dopo è ancora protagonista già dall'inverno, con il sesto titolo mondiale di ciclocross (quinto consecutivo) a Louisville, e le vittorie alla Ronde van Drenthe, al Giro delle Fiandre e alla Freccia Vallone. Vince poi anche il Grand Prix Elsy Jacobs, tre tappe e la classifica a punti al Giro d'Italia (in cui conclude però solo sesta), l'Open de Suède Vargarda, tre tappe e la classifica del Trophée d'Or, e il Grand Prix de Plouay. Il suggello all'ottima stagione arriva il 28 settembre, con la vittoria del titolo mondiale a Firenze, il terzo su strada per lei, superando sul traguardo Emma Johansson e Rossella Ratto. Grazie ai cinque successi su sette prove individuali, conquista per la quinta volta anche la Coppa del mondo su strada.
2014-2016: il terzo Giro d'Italia, lo stop e il rientro Nel 2014, dopo aver saltato le classiche di primavera, si piazza seconda al Festival Elsy Jacobs, prima al Women's Tour e in tre corse in linea, seconda all'Emakumeen Euskal Bira e terza sia ai campionati olandesi in linea che a quelli a cronometro, cogliendo in tutto undici successi in diciotto giorni di corsa. Al successivo Giro d'Italia prende la maglia rosa già al secondo giorno, con il successo a Santa Maria a Vico, e consolida il primato con altre tre vittorie parziali; conquista così il suo terzo Giro d'Italia in quattro anni, facendo sua anche, per la sesta volta, la classifica a punti. Dopo il Giro vince la prima edizione della Course by Le Tour de France, gara che si conclude sugli Champs-Élysées poche ore prima della conclusione del Tour de France maschile. Si aggiudica quindi anche lo Sparkassen Giro Bochum e tappe delle corse di fine estate (portando a ventuno il bottino di successi stagionali), mentre ai campionati del mondo di Ponferrada, pur partendo da favorita per il titolo, è solo decima nella volata vinta da Pauline Ferrand-Prévot.
Nel 2015 è attiva fino a gennaio, partecipando ad alcune prove di ciclocross e ai campionati del mondo di specialità a Tábor, dove vince il bronzo; dopo aver partecipato a sole due gare su strada tra fine aprile e inizio maggio, rimane lontana dall'attività per il prosieguo di stagione per riprendersi sia da un infortunio al ginocchio sinistro, che dalla fatica accumulata nelle stagioni precedenti. Ritorna alle corse nel 2016, senza però i ritmi e la mole di risultati pre-2015; si aggiudica comunque alcune corse, tra cui una frazione al Tour of California, una al Women's Tour (entrambe gare del neonato Women's World Tour), tre tappe al Thüringen Rundfahrt e una al Giro del Belgio. In stagione partecipa anche alla prova in linea dei Giochi olimpici di Rio de Janeiro, concludendo nona dopo aver svolto anche ruoli di gregariato, e ai campionati europei e mondiali, piazzandosi rispettivamente settima e ventiduesima.
2017-2019: il titolo europeo e il ritorno ad alti livelli Dopo un inverno 2017 caratterizzato dall'argento ai campionati del mondo di ciclocross a Bieles (battuta dalla specialista Sanne Cant), e una primavera con tre vittorie in gare belghe di secondo piano e alcuni piazzamenti, nel giugno 2017 si frattura la clavicola in una caduta durante la terza tappa del Women's Tour. Rientrata alle corse dopo un mese, vince due tappe e la classifica finale del BeNe Tour, e la classifica finale del Tour of Norway; prima della gara norvegese, conquista sulle strade di Herning anche il titolo europeo Élite in linea precedendo Giorgia Bronzini in una volata ristretta.