Olympialaisissa Mäkäräinen kilpaili ensimmäisen kerran Vancouverissa 2010 ollen 7,5 kilometrin sprinttikilpailussa 59:s, 10 kilometrin takaa-ajossa 45:s ja 15 kilometrin normaalimatkalla 46:s. Hanty-Mansijskin MM-kisoissa 2011 Mäkäräinen voitti ensimmäisenä suomalaisena naisampumahiihtäjänä maailmanmestaruuden. Pikakilpailussa hän tuli toiseksi häviten Magdalena Neunerille 12,2 sekuntia. Mäkäräinen selvitti sekä sprintin että takaa-ajon ilman sakkoja ja voitti takaa-ajon ohitettuaan Neunerin viimeisellä ampumapaikalla tämän jouduttua kahdelle sakkokierrokselle. 12,5 kilometrin yhteislähtökilpailussa Mäkäräinen oli neljäs. Kaisa Mäkäräisen MM-kulta toi hänelle toisen sijan kilpailussa Suomen Urheilugaalan Vuoden sykähdyttävimmästä hetkestä. Yleisöäänestyksessä 31,7 prosenttia äänistä annettiin Mäkäräisen saavutukselle, mikä oli alle kuusi prosenttiyksikköä vähemmän kuin äänestyksen voittajalla.