Under OL i Vancouver gikk Bjørgen inn til bronse på den innledende 10 km fristil, bak Charlotte Kalla og Kristina Šmigun-Vähi. 17. februar 2010 ble hun olympisk mester på sprint klassisk. Hun gikk raskest i prologen og vant både sitt kvartfinale- og semifinaleheat. I finalen gikk hun inn til en klar seier foran Justyna Kowalczyk og Petra Majdič. Bjørgen ble dermed den andre norske kvinne som tok olympisk gull i individuelt langrenn, den første var Bente Skari i OL 2002 i Salt Lake City. Norge hadde dessuten to stafettgull fra tidligere, i 1968 og 1984. 19. februar gikk Bjørgen inn til OL-gull nummer to da hun vant 15 km dobbel jaktstart (fellesstart med skibytte) med 8,9 sekunders margin til Anna Haag med Justyna Kowalczyk på bronseplass.