De 1,72 metros de altura y 57 kilos de peso, Pantani tenía el tipo clásico de escalador, como demostró en el Tour de su debut, en 1994, quedando tercero en la clasificación final. Justo cuando se adivinaba el despegue de su carrera, Pantani sufrió una terrible colisión con un automóvil, en el transcurso de la Milán - Turín, que le provocó una doble fractura en una pierna amenazando con el prematuro fin de su carrera profesional.
En 1997, recuperado de la grave lesión, retornó a la competición, pero durante el Giro sufrió una caída al cruzarse un gato en su camino, que provocó su retirada de la carrera. En el Tour de ese año protagonizó una intensa lucha por el maillot amarillo; aunque se mostró imbatible en la montaña, Jan Ullrich, muy superior en las etapas contrarreloj, supo limitar el tiempo perdido en los Alpes y Pirineos logrando la victoria final y relegando a Pantani al tercer puesto.
El año siguiente (1998) Pantani logró por fin derrotar a Ullrich al obtener sobre él una ventaja de casi 9 minutos en la etapa Grenoble - Les Deux Alpes donde Pantani inició su ataque en el puerto del Galibier. Aunque Ullrich trató de recuperar el tiempo perdido en la etapa posterior, que llegaba a Albertville (previo ascenso al durísimo Col de la Madeleine) la remontada no fue posible y Pantani se convirtió en el primer italiano, desde Felice Gimondi en 1965, en vestir el maillot amarillo en París. Su logro fue notable, ya que durante muchos años el Tour había estado dominado por especialistas de la contrarreloj como Miguel Indurain, Jan Ullrich y Bjarne Riis; desde los tiempos de Pedro Delgado, ningún escalador había obtenido la victoria, y su éxito, en cierto modo, hizo resurgir la leyenda del especialista de la montaña.
El mismo año se proclamó vencedor de un Giro que no estaba diseñado a su medida sin multitud de etapas de montaña. La ventaja que obtuvo en las cumbres italianas, donde ganó 2 etapas, le permitió superar finalmente a especialistas de la contrarreloj como Alex Zülle y Pável Tonkov.
En el Giro de 1999, tras vencer en cuatro etapas y siendo líder de la carrera, fue descalificado al observarse altos niveles de hematocrito en su sangre, lo que sugería un caso de dopaje con EPO, aunque este extremo no se pudo probar de forma concluyente. En el Tour del 2000 corrió sin posibilidades de victoria, aunque mostró destellos de su calidad en la montaña. En un mano a mano en el ascenso al Mont Ventoux, consiguió escapar junto a Lance Armstrong, que resultaría vencedor final del Tour. Al alcanzar la meta Armstrong le cedió la victoria de etapa; sin embargo, Pantani no agradeció el gesto, originando las malas relaciones entre ambos, agravadas al referirse Armstrong a Pantani como el Elefantino, un sobrenombre que odiaba. Esta sería la penúltima victoria de Pantani, ganando esta vez en solitario otra etapa de montaña en ese mismo Tour, pues a partir de entonces sólo se subió a la bicicleta en contadas ocasiones.
A pesar del caso de la acusación de dopaje, la popularidad de Pantani no decayó debido a sus explosivos ataques que animaban la carrera tras años de dominio de especialistas en la contrarreloj y restituían a la montaña el protagonismo en la carrera que tuvo antaño.
Fue considerado por muchos el mejor escalador profesional de su generación, en buena parte debido a su triunfo en el Tour de Francia y el Giro de Italia en 1998. La cinta que solía llevar en su cabeza rapada y su estilo atacante en la bicicleta le valieron el sobrenombre de 'Il Pirata'. Sin embargo, a partir de 1999, su carrera se vio truncada por acusaciones de dopaje, que él siempre rechazó.
El 14 de febrero de 2004 fue encontrado muerto Pantani en la habitación de un hotel en la localidad costera italiana de Rímini, adonde había llegado unos días antes. La sospecha de que se hubiera suicidado, después de que se encontraron en la habitación medicamentos antidepresivos (de ellos algunas cajas vacías y otras iniciadas) fue descartada por el fiscal investigador; sin embargo, no fue completamente rebatida. Marco Pantani atravesaba una crisis depresiva. Un año antes fallecía en mismas circunstancias el español Chava Jiménez.
La autopsia dio por causa de muerte un paro del corazón como resultado de un edema pulmonar y cerebral. El 19 de marzo de 2004 el informe ofical de la autopsia a Pantani estableció que éste murió por una sobredosis de cocaína. Su adicción a la cocaína se remontaba al otoño de 1999 y era conocida en su círculo de amigos.