En 2009, la Polonaise remporte de nouveau la coupe d'Europe hivernale des lancers, à Los Realejos, en . Elle participe aux premiers championnats d'Europe par équipes, à Leiria au Portugal, et remporte l'épreuve avec un lancer à . Le , lors de la réunion de Cottbus, Wlodarczyk établit la meilleure performance mondiale de l'année, avec un jet à . Le , elle remporte son premier titre international majeur en s'imposant en finale des championnats du monde, à Berlin, et en établissant un nouveau record du monde de la discipline en , améliorant de seize centimètres la précédente meilleure marque mondiale de la Russe Tatyana Lysenko datant de 2006. En célébrant son jet par un saut de joie, elle se donne une entorse de la cheville qui l'empêche de réaliser les lancers suivants de la finale.