Bei der Ski-WM 1962 in Chamonix wurde sie Weltmeisterin in der Kombination und Zweite im Slalom. Bei den Olympischen Spielen 1964 in Innsbruck wurde sie Olympiasiegerin im Riesenslalom und gewann hinter ihrer Schwester Christine Goitschel (* 1944) die Silbermedaille im Slalom. Dazu gewann sie die Kombinationswertung, die allerdings nur als Weltmeisterschafts- und nicht als Olympiadisziplin zählte. Sie sorgte für zusätzlichen Presserummel, als sie ihre baldige Heirat mit Jean-Claude Killy bekanntgab. Allerdings war dies bloß ein Scherz, den sie zusammen mit ihrer Schwester ausgeheckt hatte, um sich über die Journalisten lustig zu machen. Im selben Jahr wurde sie von der Sportzeitung "L’Équipe" als erste Frau zu Frankreichs Sportlerin des Jahres („Champion des champions“) gewählt und von der Internationalen Vereinigung der Ski-Journalisten (AIJS) zusammen mit ihrer Schwester mit dem Skieur d’Or ausgezeichnet.