Under vinter-OL 2018 fikk hun sølv på åpningsdistansen, 15 km skiathlon, bak Charlotte Kalla. På 10 km fristil med intervallstart tok Bjørgen bronse, bak Ragnhild Haga og Charlotte Kalla. På 4 × 5 km stafett gikk Bjørgen ankeretappen på det norske laget som tok gull. Ingvild Flugstad Østberg, Astrid Uhrenholdt Jacobsen og Ragnhild Haga gikk de tre første etappene. Bjørgen gikk ut på siste etappe 3,4 sekunder bak Russland og Sverige. Bjørgen gikk opp i teten og dro og rykket på den siste bakketoppen slik at spurtsterke Stina Nilsson ikke klarte å ta henne igjen. På lagsprinten, som gikk i fristil, ble det bronse til det norske laget der Bjørgen gikk sammen med Maiken Caspersen Falla. Bjørgens mål for OL var en individuell gullmedalje. Det lyktes hun med i den avsluttende øvelsen i OL, 30 km langrenn i klassisk stil. Bjørgen gikk tidlig opp i teten, og feltet skrumpet inn. På den andre av fire 7,5 km-runder var det ingen konkurrenter som klarte å henge med. Bjørgen vant til slutt med hele 1 minutt og 49,5 sekunder til finske Krista Pärmäkoski og med svenske Stina Nilsson på tredjeplass. Det var Bjørgens åttende OL-gull, likt med Ole Einar Bjørndalen og Bjørn Dæhlie. Alle tre har fire sølvmedaljer, men Bjørgen har flere bronsemedaljer enn de andre to og er dermed tidenes mestvinnende vinterolympier. Hun klatret også opp på sjetteplass over alle olympiere, etter Michael Phelps med 23 gull og Larisa Latynina, Paavo Nurmi, Mark Spitz og Carl Lewis som alle har ni gull. For andre gang vant Bjørgen fem medaljer i ett OL. Bjørgens OL-gull sikret også at Norge ble beste nasjon i vinter-OL 2018 på plassen foran Tyskland. Bjørgen fikk utdelt gullmedaljen på OLs avslutningsseremoni med 40000 tilskuere til stede etter at hun var norsk flaggbærer under innmarsjen.