По результатам выступлений на протяжении сезона и модельных тренировок на «Озере Круглом» вошла в состав команды на чемпионат мира 2010, где планировала завоевать медали на брусьях, в опорном прыжке и в многоборье. Специально к чемпионату Алия усложнила программу в опорном прыжке, разучив сложнейший прыжок с базовой стоимостью 6,5 (на тот момент) — «2,5 винта Юрченко». Своим выступлением в квалификации Алия подтвердила серьёзность своих намерений, выйдя с первым результатом в финал многоборья и отобравшись в финал всех 4 отдельных видов, что последний раз удавалось Светлане Хоркиной в 1997 году. В финале многоборья Алия завоевала золотую медаль с результатом 61,032 балла, опередив на 1,034 балла китайскую гимнастку Цзян Юйюань. Российской гимнасткой, ставшей чемпионкой мира в личном многоборье, до Алии была Светлана Хоркина, которая первенствовала в 2003 году в американском Анахайме. Кроме золотых медалей в командном и индивидуальном первенстве, Алия трижды становилась серебряным призёром в отдельных видах многоборья — опорном прыжке, брусьях и вольных упражнениях. На бревне спортсменка упала и выбыла из борьбы за медали. В финале опорного прыжка Алия была вправе рассчитывать не на серебро, а на золото, но во второй попытке судьи оценили сложность прыжка в 5,7 балла вместо 6,1. Руководители сборной России подали в Апелляционное жюри Международной федерации гимнастики протест, но он был отклонён. В итоге Алия, дебютантка чемпионата, завоевала самое большое на чемпионате количество медалей — 5 (2 золота и 3 серебра), что позволило сборной России занять второе общекомандное место после Китая. С победой на чемпионате мира Алию поздравил Дмитрий Медведев.