Mark Cavendish startet sin karriere på bane og fikk sin sykkelutdannelse ved Det britiske sykkelakademiet i Manchester. Han debuterte i verdenscupen i banesykling allerede som 18-åring. I 2005, to år senere, ble han verdensmester i øvelsen madison, noe han gjentok i 2008 og 2016.

I 2006 startet han å konkurrere i landeveissykling. I 2007 ble han profesjonell landeveissyklist og ble tatt opp i laget T-Mobile, et lag som senere endret navn til Team Highroad.

I 2009 vant han klassikerrittet Milano–Sanremo. I 2011 ble han verdensmester i landeveissykling i København, og samme år ble han utnevnt til medlem av Den britiske imperieordenen for sin innsats i sykkelsporten.

I 2011 ble Team Highroad oppløst, og Cavendish gikk over til å sykle for Team Sky, hvor han blant annet var lagkamerat med Edvald Boasson Hagen. Han syklet kun én sesong i Team Sky og vant blant annet éndagsrittet Kuurne–Brussel–Kuurne og tre etappeseire i Frankrike rundt i 2012, før han ble hentet til det belgiske laget Omega Pharma-Quick Step. I 2013 vant Cavendish sammenlagtseieren i Tour of Qatar og tok fem etappeseire samt poengtrøya i Italia rundt, i tillegg tok han to etappeseire i Frankrike rundt.

I 2014 gikk Cavendish glipp av de tre store etapperittene, men tok flere seire i mindre ritt. I 2015 vant han blant annet Kuurne–Brussel–Kuurne for andre gang og syvende etappe i Frankrike rundt. I 2016 ble Cavendish hentet til det sørafrikanske profflaget Team Dimension Data. Samme år vant Cavendish den første etappen av Frankrike rundt og kunne for første gang i karrieren sykle i den gule ledertrøyen. Cavendish vant også tredje og sjette etappe og med det gikk han forbi Bernard Hinault og opp på andreplass over flest etappeseire i Frankrike rundt gjennom tidene.

I 2021 vant Cavendish den fjerde, sjette, tiende og trettende etappen av Frankrike rundt, fem år etter forrige etappeseier i rittet. I 2024 vant Cavendish femte etappe. Med til sammen 35 etappeseiere har han dermed flest seiere – én mer enn Eddy Merckx.

I 2022 vant Cavendish tredje etappe, og i 2023 siste etappe, i Italia rundt.