Vos was amper zes jaar oud toen ze begon met wielrennen. De liefde voor het fietsen kreeg ze mee van haar vader en oudere broer. Vos bleek een talent op de weg, op de baan en in het veld. Ze won haar eerst wereldtitel in het veldrijden in 2006, op negentienjarige leeftijd. In datzelfde jaar won ze ook haar eerste WK op de weg. Inmiddels heeft ze veertien wereldkampioenschappen op haar naam, behaalde ze twee Olympische gouden medailles en won ze in Tour de France Femmes by Zwift (2022 & 2024) twee keer de groene trui. In 2024 reed ze op 36-jarige leeftijd een indrukwekkend klassiekerseizoen met winst in Omloop het Nieuwsblad, Dwars door Vlaanderen en de Amstel Gold Race.