Im Berliner Velodrom wurde Brennauer zu Beginn des Jahres 2020 Vizeweltmeisterin in der Einerverfolgung und gewann mit dem deutschen Vierer Bronze in der Mannschaftsverfolgung. Bei den Straßen-Europameisterschaften 2020 belegte sie Platz vier im Einzelzeitfahren. Bei den Olympischen Spielen in Tokio wurde sie 2021 mit Klein, Kröger und Brauße Olympiasiegerin in der Mannschaftsverfolgung. Während des olympischen Wettbewerbs stellte der deutsche Frauen-Vierer drei Mal hintereinander einen neuen Weltrekord auf und konnte letztlich den bestehenden Rekord des britischen Vierers von den Olympischen Spiele 2016 in Rio de Janeiro um rund sechs Sekunden auf 4:04,249 Minuten verbessern.