Sep Vanmarcke wurde 2007 Dritter bei der U23-Austragung der Ronde van Vlaanderen hinter dem Sieger Aleksandr Pliuşkin aus Moldawien. 2008 bis 2009 fuhr er für das belgische Continental TeamJong Vlaanderen-Bauknecht. In seinem ersten Jahr dort gewann er eine Etappe bei der Ronde van Vlaams-Brabant. Im Jahr darauf gewann er die Challenge de Hesbaye und eine Etappe bei der Tour du Haut Anjou. 2009 fuhr auch sein älterer Bruder Ken Vanmarcke für die Mannschaft Jong Vlaanderen-Bauknecht. Für Aufsehen sorgte Vanmarcke 2013 beim Frühjahresklassiker Paris–Roubaix, als er als einziger Fahrer dem zu diesem Zeitpunkt zweimaligen Sieger des Rennens Fabian Cancellara bis zum Zielstrich folgen konnte, im Velodrom von Roubaix jedoch im Sprint von diesem auf den zweiten Platz verwiesen wurde. Im Frühjahr 2014 konnte Vanmarcke mit einem dritten Platz bei der Flandern-Rundfahrt und Rang vier in Roubaix an diese Leistung anknüpfen. Im September gewann er eine Etappe der Tour of Alberta. Diesen Tageserfolg widmete Vanmarcke dem nur wenige Tage zuvor verstorbenen belgischem Junioren-WeltmeisterIgor Decraene.[1] Zur Saison 2017 wechselt er zur US-amerikanischen Mannschaft Cannondale-Drapac.[2]
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