Comme lors de la saison précédente, il obtient une victoire lors de la première étape de la coupe du monde 2009-2010 : il remporte l'individuel et termine également deuxième du sprint à Östersund. Il remporte encore trois autres victoires, poursuite à Hochfilzen, sprint et départ en masse à Ruhpolding, avant de rejoindre Vancouver pour les Jeux olympiques de 2010. Lors de la première épreuve, il termine deuxième avec une faute, à 12 secondes 2 derrière Vincent Jay. Deux jours plus tard, avec quatre fautes lors de la poursuite, il termine huitième à 52 secondes du vainqueur, le Suédois Björn Ferry. Il obtient son premier titre olympique en remportant l'épreuve de l'individuel : il termine avec une seule faute, soit une minute de pénalité, devançant Ole Einar Bjørndalen (deux fautes) et Sergey Novikov (sans fautes) de 9 secondes 5. Lors du départ en masse, il concède trois fautes et termine treizième. Troisième biathlète du relais norvégien composé de Halvard Hanevold, Tarjei Boe et Ole Einar Bjoerndalen, il réalise deux pioches. La Norvège remporte le titre olympique, en devançant l'Autriche de 38 secondes 6. Après les Jeux, il termine deux nouvelles fois sur un podium de coupe du monde. Il remporte le premier globe de cristal de sa carrière en remportant le classement général de la Coupe du monde, classement où il devance l'Autrichien Christoph Sumann et le Russe Ivan Tcherezov. Il remporte le petit globe récompensant le premier du classement du sprint et termine deuxième de l'individuel et du départ en masse.