En 1996, à l'âge de 13 ans, Van der Weijden devient champion du monde junior en petit bassin sur 800 mètres nage libre. En 2000, il participe à ses premiers Jeux olympiques à Sydney, où il termine 5e sur 4 × 200 mètres nage libre et se classe 12e du 1 500 mètres nage libre.
En 2003, Van der Weijden bat le record du monde du 1 500 mètres nage libre en petit bassin, établissant un temps de 14 min 37 s 68 lors des championnats du monde. Il remporte également deux médailles d'or aux championnats du monde en grand bassin, sur 4 × 200 mètres nage libre et sur 1 500 mètres nage libre.
En 2008, Van der Weijden participe à ses seconds Jeux olympiques à Pékin. Il remporte la médaille d'or sur le relais 4 × 200 mètres nage libre en battant son propre record du monde établi deux ans plus tôt. De plus, il termine troisième de l'épreuve individuelle du 1 500 mètres nage libre et remporte donc la médaille de bronze.
En 2012, Van der Weijden participe à ses troisièmes Jeux olympiques à Londres. Il remporte sa deuxième médaille d'or sur le relais 4 × 200 mètres nage libre, battant une fois de plus son propre record du monde établi en 2011. De plus, il termine quatrième de l'épreuve individuelle du 1 500 mètres nage libre et remporte donc sa première médaille d'argent dans cette épreuve aux Jeux olympiques.
En 2016, Van der Weijden participe à ses quatrièmes Jeux olympiques à Rio de Janeiro. Il termine huitième de l'épreuve individuelle du 1 500 mètres nage libre et remporte donc sa première médaille d'argent dans cette épreuve aux Jeux olympiques, qui lui est attribuée par le biais du temps qualificatif pour les demi-finales.
En 2017, Van der Weijden annonce qu'il met un terme à sa carrière de nageur, après avoir remporté son quatrième titre mondial sur 800 mètres nage libre lors des championnats du monde en petit bassin.
De nos jours, Maarten van der Weijden est reconnu comme l'un des plus grands nageurs de tous les temps et est considéré comme un modèle pour la jeune génération de nageurs néerlandais.