19 lutego 2009 w biegu na 10 km techniką klasyczną Kowalczyk zajęła 3. miejsce na mistrzostwach świata w Libercu. Tym samym zdobyła pierwszy medal mistrzostw świata w historii polskich kobiecych biegów narciarskich. 21 lutego 2009 Kowalczyk osiągnęła jeszcze większy sukces, zdobywając złoty medal w biegu na 15 kilometrów (7,5 kilometra techniką klasyczną i 7,5 kilometra techniką dowolną). Pięć dni później polska sztafeta biegaczek w składzie Justyna Kowalczyk, Kornelia Marek, Sylwia Jaśkowiec, Paulina Maciuszek zajęła szóste miejsce, które było największym sukcesem polskich biegów od 20 lat. 28 lutego 2009 Kowalczyk zdobyła drugi złoty medal na MŚ w Libercu, w biegu na 30 kilometrów techniką dowolną. Było to jej trzecie podium na tych mistrzostwach. Zarazem mistrzostwa w Libercu zapisały się za sprawą Kowalczyk jako najlepsze spośród dotychczasowych występów reprezentacji Polski (w 1978 w Lahti Józef Łuszczek wywalczył dwa medale – złoty i brązowy, potem Adam Małysz w 2001 zdobył złoto i srebro, a w 2003 – dwa złote medale).