Après avoir remporté plusieurs victoires en junior, Armitstead a rejoint l'équipe britannique de cyclisme sur route UCI en 2007. Elle s'est rapidement révélée comme une des meilleures cyclistes du monde et a remporté son premier titre mondial en catégorie élite lors de la course en ligne aux Mondiaux de Copenhague en 2011.
En 2013, elle a rejoint l'équipe américaine Boels-Dolmans pour laquelle elle a remporté plusieurs victoires importantes, dont une étape et le classement général de la Ronde van Drenthe, la Ronde van Vlaanderen et la Flèche Wallonne.
Armitstead est également connue pour son succès en cyclo-cross, discipline dans laquelle elle a remporté deux titres mondiaux juniors et trois titres nationaux. Elle a décidé de se concentrer sur le cyclisme sur route après les Mondiaux 2013, mais a continué à courir en cyclo-cross pour l'entraînement.
En 2015, Armitstead a remporté la Flèche Wallonne féminine et a pris la troisième place de la Course en ligne des Mondiaux disputés à Richmond, aux États-Unis. La même année, elle a remporté son deuxième titre mondial individuel dans l'épreuve de cyclo-cross.
En 2016, Armitstead a participé à ses premiers Jeux Olympiques à Rio de Janeiro où elle a remporté la médaille d'or en course en ligne devant Anna van der Breggen et Emma Johansson. Elle a également terminée quatrième du critérium olympique féminin.
En 2017, Armitstead a rejoint l'équipe Sunweb pour laquelle elle a remporté le classement général de la Ronde van Drenthe et une étape du Tour des Flandres.
Armitstead a annoncé son intention de prendre sa retraite sportive à la fin de la saison 2018, après les Mondiaux de cyclo-cross à Valkenburg. Elle a décidé de mettre un terme à sa carrière à la suite d'une blessure au genou qui l'a contrainte à mettre fin à sa participation aux Jeux du Commonwealth 2018.
Elle est actuellement consultante pour la chaîne de télévision ITV Sport, où elle couvre les compétitions de cyclisme sur route.