Bereits mit 21 Jahren wechselte Bardet 2012 zu AG2R La Mondiale in die WorldTour. Zwei Jahre nach seinem Wechsel belegte der damals junge Franzose schon den sechsten Platz bei der Tour de France und gewann wiederum ein Jahr später seine erste Etappe bei der Frankreich-Rundfahrt. Bei der Tour 2016 gelang es Bardet auf der 19. Etappe nach Saint-Gervais mit seinem Etappensieg den zweiten Rang im Gesamtklassement zu übernehmen. Am Ende der Rundfahrt blieb es bei diesem zweiten Platz - näher kam Romain Bardet seinem großen Ziel, die Tour de France zu gewinnen, nie. Im Jahr darauf belegte er den dritten Platz bei der Grand Boucle. Mehrfach betonte er, dass das Gefühl gewinnen zu müssen, ihn oft daran gehindert habe sein gesamtes Potenzial zu zeigen.
Auch dem Weltmeistertitel kam Bardet ganz nah. 2018 sprintete er hinter Alejandro Valverde auf einem Kurs mit über 5000 Höhenmetern als Zweiter ins Ziel. Im selben Jahr wurde er Dritter beim Ardennen-Klassiker Lüttich-Bastogne-Lüttich und holte 2019 das Bergtrikot der Tour de France. Der Wechsel zum Team DSM im Jahr 2021, gab Bardet noch einmal Aufwind. Im selben Jahr gewann er eine Etappe bei der Spanien-Rundfahrt und holte 2022 den Gesamtsieg bei der Tour of the Alps, sowie den sechsten Platz bei der Tour de France. Bei Lüttich-Bastogne-Lüttich musste sich der Franzose 2024 nur dem Dominator Tadej Pogačar geschlagen geben und konnte sich bei der Frankreich-Rundfahrt mit seinem Etappensieg auf dem ersten Teilabschnitt einen großen Traum erfüllen: Einmal das Gelbe Trikot tragen zu dürfen.