La stagione 2009-2010 ha registrato un avvio difficoltoso per la Neuner, . Tuttavia in seguito è riuscita a inanellare una striscia di undici podi in tredici gare, che l'ha proiettata in vetta alla classifica generale. Ai XXI Giochi olimpici invernali di , dopo la medaglia d'argento nella gara sprint, ha conquistato la sua prima medaglia d'oro olimpica vincendo la 10 km a inseguimento e la seconda nella partenza in linea. A fine anno si è aggiudicata la sua seconda Coppa del Mondo, battendo la compagna di squadra Simone Hauswald.