Sur route, elle remporte à nouveau 24 victoires, dont la Flèche wallonne pour la deuxième année consécutive. Elle termine troisième du classement général de la Coupe du monde 2008 en ne participant qu'à quatre manches sur les onze au programme. Elle remporte trois courses par étapes internationales : Gracia Orlova, la Vuelta a Occidente et l'Emakumeen Bira. Quelques jours avant les Jeux olympiques, elle devient championne des Pays-Bas sur route. Le , elle fait partie des favorites de la course en ligne, mais elle ne prend que la sixième place de la course remportée par la Britannique Nicole Cooke. Quatre jours plus tard elle termine de l'épreuve du contre-la-montre. Le , elle remporte le titre olympique sur l'épreuve de la course aux points. Comme aux mondiaux, elle prend un tour à ses adversaires, mais cette fois elle est la seule à réussir cette performance. En fin de saison, elle termine à nouveau deuxième du championnat du monde remporté au sprint par la nouvelle championne olympique Nicole Cooke. Marianne Vos termine pour la deuxième année, numéro 1 mondial.