Następnie zwyciężył w sprincie techniką dowolną i był drugi w biegu na 15 km klasykiem podczas mistrzostw świata młodzieżowców w Val di Fiemme.
W Pucharze Świata zadebiutował 6 lutego 2011 roku Rybińsku, gdzie był dziesiąty w sztafecie. Pierwsze pucharowe punkty zdobył blisko dwa lata później – 1 lutego 2013 roku w Soczi zajął czwarte miejsce w sprincie techniką dowolną. Na początku sezonu 2013/2014, 15 grudnia 2013 roku w Davos po raz pierwszy stanął na podium zawodów PŚ. W sprincie techniką dowolną zajął tam trzecie miejsce, za Norwegiem Andersem Gløersenem i Marttim Jylhą z Finlandii. Niecały miesiąc później, 11 stycznia 2014 roku w Novym Měscie odniósł pierwsze pucharowe zwycięstwo, w sprincie stylem dowolnym, wyprzedzając Włocha Federico Pellegrino i rodaka, Aleksieja Pietuchowa. W sezonie 2016/2017 zajął drugie miejsce w klasyfikacji generalnej PŚ, plasując się za Norwegiem Martinem Johnsrudem Sundbym. Ustiugow wygrał klasyfikację końcową Tour de Ski 2016/2017, był drugi w Tour de Ski 2018/2019 i Tour de Ski 2019/2020 oraz trzeci w Tour de Ski 2016.