Dat Schlierenzauer er bij begin van het nieuwe seizoen al meteen stond, bewees hij door met de Oostenrijkse schansspringers bij de eerste landenwedstrijd meteen het goud binnen te halen. Hij behaalde zijn eerste individuele wereldbekerzege van het seizoen met een zege in Lillehammer op 5 december 2009 met sprongen van 125,5m en 141m. Dat seizoen eindigde Schlierenzauer op de tweede plaats in de eindstand van de wereldbeker. Tijdens de Wereldkampioenschappen skivliegen 2010 in Planica eindigde Schlierenzauer tweede achter Simon Ammann. Het Oostenrijkse viertal (Koch, Schlierenzauer, Morgenstern en Loitzl) kon hun wereldtitel wel verlengen. In 2010 nam Schlierenzauer een eerste maal deel aan de Olympische Winterspelen. In Vancouver behaalde hij meteen drie Olympische medailles. Individueel behaalde hij twee keer brons, telkens achter Simona Ammann en Adam Małysz. Samen met Wolfgang Loitzl, Andreas Kofler en Thomas Morgenstern werd Schlierenzauer wel Olympisch kampioen in de landenwedstrijd.