Johaug kuului maailmancupkaudella 2010–2011 Norjan voitokkaaseen viestijoukkueeseen Jällivaarassa ja La Clusaz'ssa. Davosin 10 kilometrin perinteisen hiihtotavan kilpailussa hän oli kolmas. Tour de Skin kokonaiskilpailussa hän sijoittui toiseksi ja oli viimeisellä osuudella nopein. Otepään perinteisen hiihtotavan 10 kilometrin kisassa hän oli kolmas. Oslon MM-kilpailuissa Johaug voitti 30 kilometrin vapaan hiihtotavan yhteislähtökilpailun maailmanmestaruuden 44 sekunnin erolla Marit Bjørgeniin. Hän hiihti myös toisen osuuden Norjan kultajoukkueessa 4 × 5 kilometrin viestissä ja sai pronssia yhdistelmäkilpailussa. Lisäksi hän oli 10 kilometrin perinteisen kilpailussa neljäs. Salpausselän Kisoissa hän voitti yhdistelmäkilpailun. Maailmancupin finaalitapahtumassa Falunissa hän oli kolmas. Maailmancupin kokonaiskilpailussa hän sijoittui neljänneksi ja normaalimatkojen cupissa kolmanneksi.