Aux championnats du monde 2020 à Antholz-Anterselva, il se classe sixième du sprint, puis remporte le son premier titre mondial (et sa première victoire individuelle en Coupe du monde) dans la poursuite, après un sans-faute au tir et en prenant le meilleur sur Johannes Thingnes Bø lors du sprint final. Émilien Jacquelin est le quatrième champion du monde français, après Patrice Bailly-Salins, Raphaël Poirée et Martin Fourcade. Mis au repos par le staff de l'équipe lors de l'individuel, il est en revanche aligné pour le relais mixte simple en compagnie d'Anaïs Bescond. Auteur de deux excellents derniers tirs, et malgré avoir oublié un bâton sur le pas de tir, Émilien passe la ligne d'arrivée en troisième position et décroche une deuxième médaille lors de ces championnats du monde (la cinquième pour l'équipe de France). Le , il est une nouvelle fois sacré champion du monde sur le relais masculin en compagnie de Martin Fourcade, Simon Desthieux et Quentin Fillon-Maillet, devant la Norvège et l'Allemagne. Le lendemain, il conclut ces mondiaux par une médaille de bronze sur la mass-start derrière Johannes Thingnes Bø et Quentin Fillon Maillet. Avec quatre médailles, il est le Français le plus médaillé de ces championnats et remonte à la septième place du classement général de la Coupe du Monde avant d'aborder le dernier « trimestre ».