Op de wereldkampioenschappen langlaufen 2017 in Lahti eindigde Bolsjoenov als vijftiende op de 30 kilometer skiatlon en als 26e op de sprint. Bij zijn wereldbekerdebuut, in maart 2017 in Drammen, scoorde de Rus dankzij een negende plaats direct wereldbekerpunten. In november 2017 stond hij in Kuusamo voor de eerste maal in zijn carrière op het podium van een wereldbekerwedstrijd. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2018 in Pyeongchang veroverde Bolsjoenov de zilveren medaille op de 50 kilometer klassieke stijl en de bronzen medaille op de sprint. Samen met Denis Spitsov sleepte hij de zilveren medaille in de wacht op de teamsprint, op de estafette legde hij samen met Andrej Larkov, Aleksej Tsjervotkin en Denis Spitsov beslag op de zilveren medaille. Op 17 maart 2018 boekte de Rus in Falun zijn eerste wereldbekerzege.
In Seefeld nam hij deel aan de wereldkampioenschappen langlaufen 2019. Op dit toernooi veroverde hij de zilveren medaille op zowel de 30 kilometer skiatlon als de 50 kilometer vrije stijl, daarnaast eindigde hij als achtste op de 15 kilometer klassieke stijl en als elfde op de sprint. Samen met Gleb Retivych sleepte hij de zilveren medaille in de wacht op de teamsprint, op de estafette behaalde hij samen met Andrej Larkov, Aleksandr Bessmertnych en Sergej Oestjoegov de zilveren medaille. In het seizoen 2019/2020 won Bolsjoenov zowel de algemene wereldbeker als de Tour de Ski. Op de wereldkampioenschappen langlaufen 2021 in Oberstdorf werd hij wereldkampioen op de 30 kilometer skiatlon, daarnaast veroverde hij de zilveren medaille op de 50 kilometer klassieke stijl en eindigde hij als vierde op zowel de sprint als de 15 kilometer vrije stijl. Samen met Aleksej Tsjervotkin, Ivan Jakimoesjkin en Artjom Maltsev sleepte hij de zilveren medaille in de wacht op de estafette, op de teamsprint behaalde hij samen met Gleb Retivych de bronzen medaille. In het seizoen 2020/2021 prolongeerde de Rus de eindzege in zowel de algemene wereldbeker als de Tour de Ski.
Op 13 februari 2022 won hij in een team met Sergej Oestjoegov, Aleksej Tsjervotkin en Denis Spitsov, goud op de 4x10 km estafette tijdens de Olympische Winterspelen in Peking.