Virenque begann seine Profikarriere 1991. Ein Jahr später fuhr er bei der Tour de France 1992 einen Tag im Gelben Trikot und wurde Zweiter der Bergwertung. Virenques offensiver Fahrstil ließ ihn rasch zum populärsten Radprofi Frankreichs aufsteigen.[1] Sein Markenzeichen wurde sein nach oben gestreckter Zeigefinger, wenn er eine Etappe gewann.[2]
Von 1994 bis 1997 konnte er viermal in Folge das Gepunktete Trikot des besten Bergfahrers der Tour de France gewinnen. In der Tour de France 1994, 1995 und 1997 gewann er die Sonderwertung Souvenir Henri Desgrange. Seine besten Platzierungen im Gesamtklassement erreichte Virenque 1996 als Dritter hinter Bjarne Riis und Jan Ullrich und 1997 als Zweiter, abermals hinter Jan Ullrich. Dreimal (1994, 1995 und 1997) gewann er während der Tour die Sonderwertung Souvenir Henri Desgrange.[3]
Bei der Tour de France 1998 trat er als einer der Favoriten an, befand sich aber nach wenigen Tagen im Zentrum der so genannten Festina-Affäre, bei der eine systematische Dopingpraxis in seinem Team Festina aufgedeckt wurde.[4] Im Gegensatz etwa zu fast allen seinen Teamkollegen – darunter der zweimalige Tour-Zweite Alex Zülle – beschwor Virenque lange Zeit seine Unschuld, bis er vor Gericht 2000 ebenfalls die Einnahme verbotener Mittel zugab und danach für sieben Monate gesperrt wurde.[5][6] Vor Beginn seiner Sperre gewann er bei der Tour de France 1999 ein weiteres Mal die Bergwertung und 2000 die Etappe von Courchevel nach Morzine.
Am Ende der Saison 2004 erklärte Virenque seinen Rücktritt vom aktiven Rennsport. Während der Tour de France fungiert er als Experte des TV-Senders Eurosport.[8]
Bei einem Hobbyrennen 2006 in den französischen Alpen stürzte Virenque schwer. Neben weiteren Verletzungen erlitt er dabei einen offenen Bruch an der Stirn und einen Nasenbeinbruch.[9]