La stagione 2009-2010 è quella dei successi mondiali: Štybar si aggiudica infatti Coppa del mondo, campionati del mondo e Superprestige, chiudendo invece secondo nel Gazet van Antwerpen Trofee. Il 24 gennaio arriva il primo dei tre titoli: dopo aver conquistato nel corso della stagione le prove di Koksijde, Igorre e Roubaix, il ceco chiude infatti secondo nel cross di Hoogerheide, ultima prova del calendario, e nella classifica finale va a precedere di 4 lunghezze Niels Albert. Una settimana dopo, il 31 gennaio a Tábor, riesce finalmente a centrare l'oro ai campionati del mondo, riportando così il suo paese alla vittoria diciannove anni dopo Radomír Šimůnek (allora, 1991, era Cecoslovacchia). In una corsa caratterizzata da ghiaccio e neve, nove giri su un circuito da 3,2 chilometri, Štybar è abile a lanciare l'attacco decisivo nel corso della quarta tornata: non viene più ripreso, e taglia il traguardo con 21 secondi su Klaas Vantornout e 38 su Sven Nys. Il 14 febbraio seguente vince infine a Vorselaar superando ancora Albert; la vittoria gli consente di staccare di un punto il belga (erano appaiati in classifica) e di conquistare così il Superprestige, competizione nella quale peraltro interrompe il dominio quinquennale dell'altro fiammingo Sven Nys.