Durch die Berichte über die Olympischen Spiele 2004 in Athen fühlte sich Sarah Hammer erneut motiviert und kehrte zum Radsport zurück. 2005 gewann sie zwei US-amerikanische Titel und siegte bei mehreren Weltcuprennen. 2006 sowie 2007 wurde sie schließlich zweimal in Folge Weltmeisterin in der Einerverfolgung, 2008 zudem Zweite. 2010 konnte Sarah Hammer den Weltmeistertitel in dieser Disziplin zum dritten Mal erringen. Bei den Olympischen Spielen 2008 in Peking belegte sie den fünften Platz in der Einerverfolgung.