Avant le début de la saison 2011-2012 de biathlon, Tora Berger participe à la première étape de la Coupe du monde de ski de fond, à Sjusjøen en Norvège. Pour son premier départ dans une épreuve de coup du monde, elle termine quatrième, à seulement quatorze secondes du podium. Alignée avec le deuxième relais, elle termine également deuxième du quatre fois cinq kilomètres, course remportée par la première équipe norvégienne. Elle commence la coupe du monde de biathlon par deux podiums, une deuxième place du sprint et une victoire lors de la poursuite à Oestersund. Elle est ensuite deuxième à Oberhof lors du départ groupé. À Nove Mesto, elle termine deuxième du sprint avant de remporter la poursuite. Elle obtient ensuite une troisième place à Oslo Holmenkollen lors du sprint. Lors des mondiaux 2012 à Ruhpolding, elle remporte le titre de l'Individuel et du départ groupé, devançant lors de ces deux courses Marie-Laure Brunet. Elle termine troisième du relais et remporte l'or du relais mixte avec Synnøve Solemdal, Ole Einar Bjoerndalen, Emil Hegle Svendsen. À l'issue de l'Individuel, elle révèle quelle a auparavant remporté une victoire plus importante en 2009 en se faisant opérer d'un cancer de la peau. En fin de saison, elle termine deuxième du départ groupé de Khanty-Mansiysk.