È stato un ciclista tattico, sempre pronto a cogliere il momento per attaccare. Questa sua prerogativa gli permise di ottenere numerosi importanti successi nonostante la sua carriera si sovrappose in gran parte a quella del "cannibale" Eddy Merckx, più forte fisicamente, ma anche più irruente e quindi più propenso all'errore.
Gimondi divenne professionista nel 1965, iniziando a correre con la Salvarani, dove rimase fino al 1973. In quell'anno passò alla Bianchi.
La sua carriera da professionista iniziò subito con una grande vittoria, il Tour de France del 1965. L'anno successivo lo vede vincitore alle classiche del nord, Parigi-Roubaix e Parigi-Bruxelles. Nella sua carriera vinse numerose classiche e gare a tappe, conquistando anche il titolo mondiale del 1973 a Barcellona.
Concluse la sua carriera su strada nel 1978 con il Giro dell'Emilia. L'ultima sua apparizione da atleta, in una Sei Giorni all'inizio del 1979.

Felice Gimondi è stato il primo e unico italiano a vincere tutti e tre i grandi giri nazionali: Tour de France (1965), Giro d’Italia (1967,1969,1976), Vuelta di España (1968).

Le Grandi Vittorie

n. 1 Tour de France -1965
n. 3 Giri d'Italia -1967, 1969 e 1976
n. 1 Parigi-Roubaix -1966
n. 2 Parigi-Bruxelles -1966 e 1976
n. 2 Giri di Lombardia -1966, 1973
n. 2 G.P. delle Nazioni -1967 e 1968
n. 1 Campionato del Mondo -1973
n. 1 Milano-Sanremo -1974

Partecipazioni grandi gare a tappe

Giro d'Italia
1965 -3° classifica finale
1966 -5° classifica finale
           Vittoria di tappa (20° tappa Moena-Belluno)
1967 -1° classifica finale
           Vittoria di tappa (19° tappa Udine-Tre Cime di Lavaredo)
1968 -3° classifica finale
           Vittoria di tappa (16° tappa Cesenatico-San Marino)
1969 -1° classifica finale
1970 -2° classifica finale
1971 -7° classifica finale
           Vittorie di tappa (7° tappa Orvieto-San Vincenzo; 18° tappa Lienz-Falcade)
1972 -8° classifica finale
1973 -2° classifica finale
           Vittoria di tappa (16°tappa Forte dei Marmi-Circuito della Versilia)
1974 -3° classifica finale
1975 -3° classifica finale
1976 -1° classifica finale
           Vittoria di tappa (21° tappa Terme di Comano-Bergamo)
1977 -15° classifica finale
1978 -11° classifica finale

Tour de France
1965 -1° classifica finale
           Vittorie di tappa (3° tappa Roubaix-Rouen; 18° tappa Aix-le-Bains-Mont Revard; 22° tappa Versailles-Parigi)
1967 -7° classifica finale
           Vittorie di tappa (10° tappa Divonne-Briançon; 20° tappa Limoges-Puy-de-Dôme)
1969 -4° classifica finale
           Vittoria di tappa (12° tappa Digne-Aubagne)
1972 -2° classifica finale
1975 -6° classifica finale
           Vittoria di tappa (10° tappa Auch-Pau)

Vuelta a España
1968 -1° classifica finale
           Vittoria di tappa (17° tappa San Sebastian-Tolosa)

Partecipazioni gare a tappe

Parigi-Nizza
1967 -17° classifica finale
1969 -11° classifica finale
           Vittoria di tappa (5° tappa Tavel, a squadre)

Tirreno-Adriatico
1966 -13° classifica finale
1970 - 3° classifica finale
           Vittoria di tappa (5° semitappa a crono San Benedetto del Tronto)
1971 -14° classifica finale
1972 - 6° classifica finale
1973 - 7° classifica finale
1975 - 5° classifica finale
1976 - 7° classifica finale
1977 -21° classifica finale

Tour de Romandie
1965 - 4° classifica finale
1966 -10° classifica finale
           Vittoria di tappa (3° semitappa a cronometro di La Chaux de Fonds)
1967 -14° classifica finale
1969 - 1° classifica finale
           Vittoria di tappa (1° semitappa cronometro a squadre Ginevra)
1970 -11° classifica finale
           Vittoria di tappa (Prologo crono a squadre Ginevra)
1972 -16° classifica finale
1973 - 6° classifica finale
           Vittoria di tappa (Prologo cronometro a squadre Ginevra)
1976 -12° classifica finale
1977 - 4° classifica finale

Tour de Suisse
1970 - 8° classifica finale
           Vittoria di tappa (6° tappa Meiringen - Finhaut)

Volta a Catalunya
1968 - 2° classifica finale
1972 - 1° classifica finale