Dopo essersi cimentato da giovanissimo nel mondo del calcio, ricevette in regalo una bicicletta dal nonno Sotero. Decise di tesserarsi nel G.C. Fausto Coppi di Cesenatico e mostrò subito indubbie doti di grande scalatore, vincendo molte gare. Nel 1993 partecipò al primo Giro d'Italia per professionisti, ritirandosi dopo poche tappe per una tendinite.  La sua esplosione come ciclista professionista avvenne al Giro d'Italia del 1994, con le vittorie di tappa a Merano, all'Aprica e con il secondo posto nella classifica generale.  Al suo debutto al Tour de France chiuse terzo in classifica generale, dietro a Miguel Indurain . Mentre era in piena preparazione al Giro d'Italia 1995, un incidente con un'automobile lo costrinse a puntare sul Tour de France vincendo la maglia bianca. Nel Campionato mondiale disputatosi in Colombia quell'anno, si classificò terzo dietro Abraham Olano e Miguel Indurain.  Il 18 ottobre, sulla discesa di Pino Torinese, fu investito da un fuoristrada che viaggiava in senso contrario sulla sede di gara durante la Milano-Torino. Venne ricoverato al CTO di Torino dove gli venne riscontrata una frattura di tibia e perone e il rischio di una prematura interruzione dell'attività agonistica. Tuttavia dopo 5 mesi e 5 giorni dall'incidente ritornò in bici. Ma la sfortuna era ancora dietro l'angolo: al Giro d'Italia Pantani subì un nuovo incidente, in una tappa interlocutoria della corsa, nella discesa del valico di Chiunzi, al km 182, a causa di un gatto che aveva attraversato la strada al passaggio del gruppo. Riuscì a concludere la tappa grazie ai compagni di squadra ma all'ospedale scoprì di aver subito la lacerazione di un centimetro nelle fibre muscolari della coscia sinistra. Abbandonò la corsa. Questa volta recuperò velocemente e ritornò in sella al Tour dello stesso anno, dove lottò a lungo per la maglia gialla, riportando altre due vittorie di tappa, Pantani si piazzò al terzo posto della classifica finale dietro anche a Richard Virenque. Nel 1998 partecipò e, per la prima volta, si impose al Giro d'Italia. Rivaleggiando con gli specialisti della cronometro come Alex Zülle. Pantani prese la maglia rosa. Quell'anno al Giro Pantani fece sua anche la classifica scalatori battendo José Jaime González. Si presentò al Tour de France dello stesso anno con ambizioni di vittoria. La gara francese se l'aggiudicò proprio lui, batté finalmente Jan Ullrich e divenne il primo italiano a trionfare al Tour dai tempi di Felice Gimondi, vincitore nel 1965. Per la stagione 1999 Pantani puntò al Giro. Ma le cose cambiarono per Pantani nella mattina del 5 giugno a Madonna di Campiglio quando vennero resi pubblici i risultati dei controlli della tappa del giorno precedente, dai quali risultava nel sangue di Pantani un livello di globuli rossi superiore al consentito. Il Pirata viene di conseguenza sospeso per 15 giorni, il che comportava l'esclusione dalla corsa rosa.La squadra del Pirata, la Mercatone Uno-Bianchi, si ritirò dal Giro. In pratica la carriera di Pantani si conclude con questo episodio. Pantani rinunciò a partecipare al successivo Tour de France, pur se la sospensione di 15 giorni comminatagli glielo avrebbe consentito. Pantani non risultò mai positivo a un controllo antidoping sebbene sia stato legittimamente escluso dalla corsa in base ai regolamenti sportivi. Le uniche associazioni del Pirata con le pratiche di doping sono relative alle dichiarazioni di Jesus Manzano, reo confesso, che cita Pantani in un contesto in cui si accusano vari ciclisti di alto livello degli anni novanta, organizzatori, tecnici e sponsor, e a quelle di Christina Jonsson, fidanzata di Pantani per 7 anni, che in un'intervista al periodico svizzero L'Hebdò riferisce che il Pirata ne facesse uso regolare. Vengono alimentati in seguito dei dubbi su un eventuale "complotto" ai danni di Pantani. In quel periodo la bicicletta non fece più parte della sua vita. Braccato dai media ed in preda ad una forte depressione, Marco restò chiuso in casa. Si allontanò dal ciclismo e, le poche volte che tornò in sella, fu vittima degli insulti dei passanti che lo etichettavano come un dopato. L'inverno, momento più duro per un ciclista, fu per Pantani un periodo difficile. Già allora emersero gli effetti della cocaina. Pantani torna a correre nel 2000 ma nonostante la condizione di forma, la difficoltà maggiore era psicologica. Marco faticò a ingranare e la preparazione per il Giro si fece sempre più frammentata fino a diventare inesistente. Il problema della cocaina in seguito fu superato ma, in vista del Giro, la preparazione fisica non era adatta ad una corsa così dura. Punta tutto al Tour, dove incontra Lance Armstrong, futuro vincitore incontrastato delle seguenti edizioni. Pantani decide di ritirarsi provocando le maledicenze dei media, che credono che Pantani abbia trovato un modo per saltare il controllo anti-doping del giorno successivo. Ottiene altre due vittorie nei critérium, fra cui l'Acht van Chaam. Partecipa al Giro d'Italia 2001 ma si ritira prima della 19ª tappa. Al Tour de France invece la sua squadra non viene invitata. Pantani non riesce più a trovare la serenità necessaria per tornare a correre. Nel 2003 torna a prepararsi sia per il Giro che per il Tour. Al Giro d'Italia lottò testa a testa con i migliori finendo ottavo. In un'ultima intervista a fine Giro d'Italia rivela la possibilità di una sua possibile partecipazione al Tour de France . Ma quando l'accordo con il Team Bianchi di Jan Ullrich sembra cosa fatta, sembra essere lo stesso Pantani a non voler più prendere parte al Tour. In seguito rinuncerà al prosieguo della stagione, non prendendo parte alla Vuelta di Spagna. Il 21 giugno 2003 Pantani entrò nella clinica "Parco dei Tigli" di Teolo in Veneto, specializzata nella cura della depressione e della dipendenza da alcol, uscendone ai primi di luglio per continuare le cure con i medici personali. Il 14 febbraio 2004, Marco Pantani fu trovato morto nella stanza D5 del residence "Le Rose" di Rimini. L'autopsia rivelò che la morte era stata causata da un edema polmonare e cerebrale, conseguente a un'overdose di cocaina. La morte di Pantani lasciò sgomenti tutti gli appassionati delle due ruote, per la perdita di un grande corridore; uno degli sportivi italiani più popolari del dopo guerra, protagonista nel bene e nel male di tante imprese. Le spoglie di Marco Pantani sono sepolte nel cimitero di Cesenatico. Nel giugno del 2011 viene inaugurata una stele sul Col du Galibier in memoria dello scatto che gli valse la vittoria di tappa nel 1998.