Die Saison 2009 begann für sie mit weiteren Leistungssteigerungen. Sie begann die Wintersaison mit einer Bestleistung von 75,05 m, steigerte sich dann auf 76,20 m und verbesserte dann am 8. August in Cottbus bei einem letzten Vorbereitungsmeeting vor den Weltmeisterschaften 2009 den polnischen Rekord von Kamila Skolimowska von 76,83 m auf 77,20 m. Dieser Wurf war der viertbeste in der Geschichte des Frauenhammerwurfs. Beim Finale der Weltmeisterschaften in Berlin am 22. August verbesserte sie diese Weite und stellte mit 77,96 m im zweiten Versuch einen neuen Weltrekord auf. Während des Jubels um diese Weltrekordweite verletzte Włodarczyk sich am Fuß und konnte keinen weiteren Versuch mehr durchführen. Dennoch gewann sie den Weltmeistertitel vor Betty Heidler. Am 6. Juni 2010 verbesserte sie ihren eigenen Weltrekord in Bydgoszcz auf 78,30 m, den sie dann am 21. Mai 2011 an Betty Heidler verlor. Bei den Europameisterschaften 2010 gewann sie mit 73,56 m die Bronzemedaille, ein Jahr später belegte sie mit der gleichen Weite den fünften Platz bei den Weltmeisterschaften in Daegu. 2012 siegte sie bei den Europameisterschaften in Helsinki mit 74,29 m und gewann Silber bei den Olympischen Spielen in London mit der Weite von 77,60 m. Bei einer Nachkontrolle der Dopingprobe der russischen Siegerin Tatjana Lyssenko (78,18 m) von 2012 wurde das anabole Steroid Dehydrochlormethyltestosteron (Turinabol) gefunden. Daraufhin wurde der Wiederholungstäterin im Oktober 2016 der Sieg und die Goldmedaille vom IOC aberkannt. Damit wurde Anita Włodarczyk nachträglich Hammerwurf-Olympiasiegerin von 2012.