Ein Jahr später siegte er mit 5,81 m bei den Halleneuropameisterschaften in Turin. Am 14. Juni 2009 sprang Lavillenie mit 5,96 m in Clermont-Ferrand an die Spitze der Freiluftweltjahresbestenliste. Eine Woche später, am 21. Juni 2009, überquerte er in Leiria, Portugal, 6,01 m und gewann damit den Wettbewerb beim Europapokal für Nationalmannschaften. Gleichzeitig verbesserte er den französischen Rekord von Jean Galfione um drei Zentimeter. Bei den Weltmeisterschaften 2009 in Berlin gewann Lavillenie mit 5,80 m die Bronzemedaille hinter dem Australier Steven Hooker und seinem Landsmann Romain Mesnil. 2010 reiste Lavillenie als europäischer Jahresbester zu den Europameisterschaften nach Barcelona, dort gewann er den Titel mit 5,85 m.