Hjelmeset został też mistrzem świata na dystansie 50 km techniką klasyczną, wyprzedzając Estila i Niemca Jensa Filbricha. Na mistrzostwach świata w Libercu w 2009 Eldar Rønning, Odd-Bjørn Hjelmeset, Tore Ruud Hofstad i Petter Northug zdobyli złoty medal w sztafecie.
Wystartował na igrzyskach olimpijskich w Salt Lake City w 2002, gdzie zdobył brązowy medal w biegu na 50 km techniką klasyczną. Wyprzedzili go tylko Rosjanin Michaił Iwanow i Andrus Veerpalu z Estonii. W biegu na 15 km klasykiem był dwudziesty. Cztery lata później, na igrzyskach w Turynie zajął 5. miejsce w sztafecie i 27. w biegu na 15 km klasykiem. Podczas igrzysk olimpijskich w Vancouver w 2010 wraz z Martinem Johnsrudem Sundbym, Larsem Bergerem oraz Petterem Northugiem wywalczył srebrny medal w sztafecie. Na dystansie 50 km techniką klasyczną był siedemnasty.
W 2011 zakończył karierę.
Po zakończeniu kariery został działaczem sportowym. Został zatrudniony na stanowisku asystenta dyrektora sportowego w Norweskim Związku Biathlonowym.
W 2007 r. za swoje osiągnięcia sportowe został nagrodzony medalem Holmenkollen wraz ze szwajcarskim skoczkiem narciarskim Simonem Ammannem, norweskim biegaczem Frode Estilem, królem Norwegii Haraldem V oraz królową Norwegii Sonją.