Boonen brak al snel door: in 2002, zijn eerste jaar als prof, wist hij in Parijs-Roubaix een zeer verrassende derde plaats te halen. Hiermee begon een succesvolle carrière, en al in 2004 behoorde hij tot de top van de wielerwereld.
Na een jaar bij het team van Lance Armstrong (US Postal, 2002) kwam hij terecht bij de ploeg QuickStep-Davitamon. Tot eind 2007 staat hij onder contract bij de opvolger van Quick.Step-Davitamon: Quick.Step-Innergetic.
In de Ronde van Frankrijk van 2005 won Boonen net als het jaar ervoor twee etappes. Ook droeg hij vanaf de tweede etappe de groene trui. Verschillende valpartijen, met gevolg dat zijn knie ernstig gewond raakte, dwongen Boonen echter tot opgeven.
Zijn grootste successen tot nu toe behaalde hij in 2005, toen hij na een korte solo de Ronde van Vlaanderen en een week later Parijs-Roubaix won. Op 25 september 2005 schreef hij als kroon op een prachtjaar het Wereldkampioenschap wielrennen voor profs in Madrid op zijn naam, nadat hij het schitterende teamwerk van de Belgische ploeg kon afwerken in de eindsprint.
