Nel 2009, lasciata la mountain bike, corre la sua prima stagione su strada in una grande squadra, il Team Saxo Bank (già CSC): ottiene ottimi risultati, come il sesto posto finale nella Volta a Catalunya in maggio, un altro sesto posto nel Giro del Delfinato e la vittoria finale al Giro di Slovenia in giugno; infine ad agosto bissa il successo dell'anno precedente al Giro di Danimarca. Alla fine della stagione viene eletto miglior ciclista danese dell'anno. Nel 2010 conferma i progressi conquistando il gradino più basso del podio al Tour de Suisse, alle spalle di campioni affermati come Fränk Schleck e Lance Armstrong. Dopo essersi laureato campione nazionale a cronometro e aver vinto il Giro di Danimarca per la terza volta consecutiva, in ottobre riesce trovare piazzamenti di rilievo al Mémorial Frank Vandenbroucke, al Gran Premio Bruno Beghelli e nel Circuit Franco-Belge; chiude la propria stagione con il quarto posto al Giro di Lombardia.
Per l'annata 2011 si trasferisce al Team Leopard-Trek, nuova formazione lussemburghese capitanata dai fratelli Schleck, e in stagione riesce a vincere la terza tappa del Giro di Danimarca, arrivando inoltre secondo nella prova a cronometro del campionato nazionale. Nel 2012 si laurea campione nazionale a cronometro, vincendo inoltre la classifica generale del Giro del Lussemburgo e del Giro d'Austria, dove si aggiudica anche la quarta tappa.
Nel 2018 ottiene un'unica vittoria, la quarta tappa del Tour de Romandie, sul traguardo di Sion.
Nel 2019 la sua stagione inizia con la vittoria della classifica generale della Vuelta a Andalucía 2019. Successivamente arriva secondo alle Strade Bianche e terzo alla Tirreno-Adriatico, alle spalle di Primož Roglič ed Adam Yates, dove vince, inoltre, la 5ª tappa con arrivo a Recanati. In aprile ottiene piazzamenti di rilievo: quarto all'Itzulia Basque Country, terzo all'Amstel Gold Race alle spalle di Mathieu Van Der Poel e Simon Clarke[3] e secondo alla Freccia Vallone alle spalle di Julian Alaphilippe. Il 28 aprile vince la sua prima classica monumento, la Liegi-Bastogne-Liegi. Dopo essere scattato sulla Côte de la Rocheaux-Faucons a 15 km dall'arrivo, portandosi dietro i soli Davide Formolo e Michael Woods, nel tratto in falsopiano successivo riesce a staccare tutti, lanciandosi in solitaria verso il traguardo di Liegi.[4]
In giugno, in vista della Grande Boucle, prende il via al Giro del Delfinato, dove vince la classifica generale. Il mese successivo è ai nastri di partenza del Tour, ma la corsa inizia nel peggiore dei modi con una caduta nella prima tappa di Bruxelles; nelle tappe pirenaiche non mantiene il ritmo dei migliori e dopo il secondo giorno di riposo si presenta in nona posizione, ad oltre 5' dal leader Alaphilippe: durante la 16ª frazione, con arrivo a Nîmes, cade a 35 km dal traguardo ed è costretto al ritiro.[5]
Il 15 agosto 2020 vince con un arrivo in solitaria un particolare Giro di Lombardia, caratterizzato dalle alte temperature inedite per quella che è definita la Classica delle foglie morte.