En , elle commence les Championnats du monde 2011 à Khanty-Mansiïsk par une troisième place lors du relais mixte le . Prenant le relais de Marie-Laure Brunet, en douzième position, elle concède trois pioches sur le tir debout et occupe la septième place lorsque Alexis Bœuf lui succède. La performance de celui-ci et de Martin Fourcade permet au relais bleu d'accrocher le podium. Sur les épreuves individuelles, elle termine huitième du sprint, puis quinzième de la poursuite et sixième de l'individuel. Lors de la mass start, elle se présente en tête sur le pas de tir lors du dernier tir debout mais elle commet une faute et laisse ses adversaires partir pour la lutte pour les médailles. Elle termine une nouvelle fois dans les dix premières, en huitième position. Le dernier jour, lors du relais féminin, elle prend le dernier relais en troisième position devant l'Allemande Magdalena Neuner. Celle-ci la reprend rapidement sur la piste mais Marie Dorin parvient à rester à ses côtés pratiquement jusqu'à son deuxième tir. Lors de celui-ci, elle réalise un sans faute qui lui permet de repartir en troisième position, la dernière relayeuse biélorusse connaissant des problèmes au tir. Elle remporte ainsi la quatrième médaille française de ces championnats, derrière l'Allemagne. Cette médaille se transforme en en argent après le déclassement des Ukrainiennes en raison du contrôle positif à l'éphédrine d'Oksana Khvostenko. Avec 726 points, elle termine pour la première fois de sa carrière parmi les dix meilleures biathlètes de la saison, avec une septième place. Elle est par ailleurs dixième de l'individuel et du sprint, septième de la poursuite et neuvième du départ groupé.