Najlepiej Pechstein zaprezentowała się na mistrzostwach świata w Nagano w 2000 roku, zwyciężając w biegach na 1500 i 3000 m, jednak na dystansie 5000 m ponownie musiała uznać wyższość Niemann-Stirnemann. Rok później, podczas mistrzostw świata w Salt Lake City nie udało się jej zwyciężyć, zdobyła jednak srebro na 5000 m i brąz na 3000 m. Kolejny tytuł mistrzowski, tym razem na 5000 m, wywalczyła na mistrzostwach w Berlinie w 2003 roku, podczas których była też druga na 3000 m. Zwycięstwo odniosła także w biegu na 3000 m na mistrzostwach w Seulu rok później. Bieg na 5000 m zakończyła na trzeciej pozycji, za Clarą Hughes i Grethą Smit z Holandii. W 2005 roku była druga na obu dystansach podczas mistrzostw świata w Inzell, ulegając Cindy Klassen na 3000 m i Anni Friesinger na dłuższym dystansie. Pierwszy medal w biegu drużynowym wywalczyła razem z Lucille Opitz i Danielą Anschütz-Thoms podczas mistrzostw świata w Salt Lake City, stając na najniższym stopniu podium. Indywidualnie zdobyła tylko jeden medal, srebrny w biegu na 5000 m, w którym przegrała tylko z Martiną Sáblíkovą. Mistrzostwa świata w Nagano w 2008 roku były pierwszymi, na których Pechstein nie zdobyła indywidualnego medalu. Zdobyła jednak brązowy medal w drużynie, razem z Opitz i Anschütz-Thoms.