Tijdens het winterseizoen 2010-2011 won Vonn het wereldbekerklassement in zowel de afdaling, super G als supercombinatie. Ze verloor de overall wereldbeker aan Maria Höfl-Riesch. Op de wereldkampioenschappen alpineskiën 2011 in Garmisch-Partenkirchen sleepte Vonn de zilveren medaille in de wacht op de afdaling, daarnaast eindigde ze als zevende op de Super G en wist ze niet te finishen op de supercombinatie. Op 22 oktober 2011 boekte de Amerikaanse haar eerste wereldbekerzege op de reuzenslalom. Hiermee werd ze na Petra Kronberger, Pernilla Wiberg, Janica Kostelić en Anja Pärson de vijfde skiester die op alle vijf de onderdelen van het alpineskiën een wereldbekerwedstrijd heeft gewonnen. Tijdens het seizoen &lt;a href="wereldbeker%20alpineski%C3%ABn%202011/2012"&gt;2011/2012&lt;/a&gt; haalde Vonn in totaal 1.980 punten. Daarmee verbrak ze het oude record van Janica Kostelić, die 1.970 punten in een seizoen had behaald. Op 5 februari 2013, tijdens de wedstrijd op de Super G van de wereldkampioenschappen alpineskiën in Schladming, kwam ze na een sprong verkeerd terecht, waarbij ze haar rechterknie ernstig blesseerde. Haar olympische titel kon ze dus niet verdedigen.