2007-2009 : premières années professionnelles chez Agritubel
En 2007, Romain Feillu devient coureur professionnel au sein de l'équipe continentale professionnelle française Agritubel. Dès ses premières courses (le Tour du Qatar et le Tour méditerranéen), il effectue de longs raids, et il s'en faut de peu pour qu'il n'empoche son premier succès professionnel (après une longue échappée solitaire lors du Tour méditerranéen, une erreur dans le kilométrage de l'étape a surpris les coureurs et laissé le temps au peloton pour revenir[1]).
Cholet-Pays de Loire révèle ses talents de sprinter. Certes, le coureur d'Agritubel fausse encore compagnie au peloton, mais une fois repris il dispute le sprint et termine second du peloton, place qui le conforte comme un des meilleurs jeunes français dans cet exercice. Un statut qu'il ne tarde pas à confirmer en remportant coup sur coup les Boucles de l'Aulne et une étape sur le Tour de Luxembourg. S'ensuivent d'excellentes performances sur le Tour de France (deux fois cinquième d'étape), ainsi que sur les courses de Coupe de France, qu’il termine second et meilleur jeune à l’issue de la saison. Le plus surprenant est peut-être la capacité de Romain Feillu à tenir la distance sur de grandes classiques, et ce dès sa première année chez les professionnels, comme l'attestent sa onzième place au Grand Prix de Plouay et sa dixième place sur Paris-Tours. Il remporte également le Tour de Grande-Bretagne. Cette bonne première saison parmi l'élite lui vaut une sélection pour les championnats du monde de cyclisme sur route de Stuttgart.
Lors du Tour de France 2008, il attaque au pied de la côte de Cadoudal à Plumelec lors de la première étape, sans succès. Il se glisse dans l'échappée décisive de la troisième étape qui arrive à Nantes, ce qui lui permet de prendre le maillot jaune. Il ne le porte que lors de l'étape suivante, un contre-la-montre, qui le repousse à la 41e place du classement général.
Romain Feillu a également un frère, Brice Feillu, vainqueur d'une étape sur le Tour de France 2009, qui devient coureur cycliste professionnel chez Agritubel en 2009.
2010-2013 : l'aventure hollandaise chez Vacansoleil
Après une première moitié de saison où Romain Feillu ne remporte aucune victoire et ne participe pas au Tour de France en raison de la non-invitation de son équipe, il obtient en août sa première victoire lors de la quatrième étape du Tour de Burgos[2]. La semaine suivante, alors qu'il est maillot jaune de l'épreuve, il remporte la deuxième étape du Tour de l'Ain[3]. Le 11 septembre, il termine deuxième de Paris-Bruxelles puis s'impose le lendemain pour la deuxième année consécutive dans le Grand Prix de Fourmies[4]. À la fin de la saison 2010, il est sélectionné par Laurent Jalabert pour participer à la course en ligne au championnat du monde à Melbourne, en Australie[5], qu'il termine dixième. Dans la foulée, il termine deuxième de Paris-Bourges[6] et sixième du Paris-Tours, confirmant ainsi son excellente fin de saison. Une saison marquée par vingt-quatre places dans les dix premiers pour soixante-sept journées de course[7].
Pré-sélectionné sur le Tour d'Italie 2013, Feillu ne peut y participer en raison d'une déchirure musculaire subie au mois d'avril à la suite d'une chute survenue au Grand Prix de Denain[10]. Son mois d'août est également perturbé par une appendicite qui nécessite une intervention chirurgicale[11]. Plus tard dans la saison, il obtient quelques belles places sur des épreuves comme le du Grand Prix Pino Cerami où il se classe deuxième mais ne parvient pas à signer une quelconque victoire.
2014-2015 : retour en France chez Bretagne-Séché Environnement
Non sélectionné pour disputer le Tour de France 2015, ce qu'il apprend par les réseaux sociaux, il décide de ne pas participer au stage de l'équipe organisé pour les coureurs absents de la Grande Boucle[12]. En fin de saison, alors que l'équipe et Feillu sont « un peu en froid » selon le coureur[12], son contrat n'est pas renouvelé par ses dirigeants[13].
2016-2019 : HP BTP-Auber 93
En novembre 2015, Romain Feillu signe un contrat d'un an avec l'équipe continentale française HP BTP-Auber 93[14]. Pour ses premiers pas sous ses nouvelles couleurs, il obtient plusieurs places d'honneur et se classe notamment 3e de Paris-Camembert au printemps ou 2e du Grand Prix d'Isbergues plus tard dans la saison. Il doit cependant attendre le mois de septembre et la course Paris-Chalette-Vierzon pour engranger sa première et seule victoire de l'année[15].
Au mois d'août 2018, il prolonge d'un an le contrat qui le lie à son employeur[16]. Dès l'automne, il entame une formation en vue de sa reconversion, préparant un DEJEPS (Diplôme d’État Jeunesse, Éducation Populaire et Sport).
Au premier semestre de l'année 2019, il annonce qu'il compte mettre fin à sa carrière de coureur cycliste en fin de saison comme ses compatriotes Yohann Gène et Samuel Dumoulin[17].