Pour sa première course aux championnats du monde 2020 organisés à Antholz-Anterselva, Quentin Fillon-Maillet participe au relais mixte en compagnie de Julia Simon, Justine Braisaz et Martin Fourcade. Alors que l'équipe de France est seulement douzième au moment où Fillon-Maillet prend le relais, il parvient à terminer la course à la septième place en réalisant le meilleur temps à ski de son groupe et en ne ratant aucune balle au tir. Le , il décroche la première médaille d'argent de sa carrière dans des Mondiaux lors du sprint, à seulement 6 s 5 du Russe Alexandr Loginov, et ce en ayant encore une fois réalisé le meilleur temps à ski malgré une faute au tir couché. Le lendemain sur la poursuite, il ne peut pas jouer le podium et se classe septième, plombé d'entrée par quatre fautes à son premier tir couché. Il termine à la même place lors de l'individuel, handicapé encore une fois par un trop grand nombre de fautes au tir. Il se reprend lors du relais masculin qu'il remporte en tant que dernier relayeur avec Martin Fourcade, Simon Desthieux et Emilien Jacquelin. Il s'agit de sa deuxième médaille d'or en relais dans des championnats du monde après celle décrochée en 2016 avec le relais mixte. Enfin le , il glane une seconde médaille d'argent individuelle dans ces Mondiaux lors de la mass-start, battu seulement par le Norvégien Johannes Boe, auteur d'un sans-faute au tir.