Перед чемпионатом мира-2009 разразился допинг-скандал: в употреблении запрещённых препаратов были уличёны Дмитрий Ярошенко, Альбина Ахатова и лидер сборной Екатерина Юрьева. В таких обстоятельствах было принято решение поставить Зайцеву на все гонки и ввести в состав эстафеты. Мало кто верил в успех, так как лидеры сборной были отстранёны от соревнований. Однако произошла сенсация. В первой же гонке Зайцева выиграла бронзовую медаль, а в следующей гонке повторила своё достижение. В эстафете Зайцевой доверили последний этап. Гонка складывалась не лучшим образом. Россия получила 22-й стартовый номер, пришлось стартовать с третьей линии. Выступавшая на первом этапе Светлана Слепцова передала эстафету второй. Но бежавшая на втором этапе Анна Булыгина опустилась на несколько позиций ниже. Ольга Медведцева также не смогла значительно сократить разрыв. Справиться с этим смогла только Ольга Зайцева. Отстреляв быстро и точно на «лёжке», она вывела команду на первую позицию. К заключительной стрельбе на стадион одновременно пришли Ольга Зайцева, Кати Вильхельм и Сандрин Байи. Быстро начав стрелять, Зайцева допустила промах и воспользовалась запасными патронами. Однако у соперников также произошла заминка. Обе преследовательницы отправились на штрафные круги, а Зайцева в это время пошла к финишу. Это была победа с преимуществом в 1 минуту 15,1 секунд. На следующий день Зайцева выиграла золотую медаль в масс-старте. Таким образом, в четырёх гонках из шести она выиграла медали, две из них были золотые. После чемпионата мира Зайцева одержала ещё несколько побед на этапах Кубка мира. В итоге, в общем зачёте генеральной классификации она заняла шестое место, показав лучший результат среди российских спортсменок.