Sastre begann seine Profikarriere 1997 als reiner Kletterer, realisierte mit den Jahren aber auch als Roller bemerkenswerte Fortschritte. Zweimal beendete er die Spanien-Rundfahrt auf Platz 2 (2005 und 2007). 2006 absolvierte er alle drei grossen Rundfahrten. Zwei Jahre später legte Sastre mit einem bemerkenswerten Sieg auf der Alpe d'Huez den Grundstein zu seinem Tour-de-France-Sieg vor Cadel Evans.