Nach dem Rücktritt Yang Weis avancierte Uchimura in den folgenden Jahren bei Weltmeisterschaften zum dominierenden Mehrkämpfer. Bei den Turn-Weltmeisterschaften 2009 in London gewann er erstmals den Mehrkampftitel mit 91.500 Punkten. Bei seinem Sieg hatte er mehr als drei Punkte Vorsprung auf seinen zweitplatzierten Landsmann Kazuhito Tanaka und erhielt die Bestnoten an vier von sechs Geräten (Boden, Ringe, Sprung und Reck). Trotz nicht auskurierten Verletzungen bei den Turn-Weltmeisterschaften 2010 in Rotterdam (Schulterverletzung) und 2011 im heimischen Tokio (Knöchelstauchung) gelang es ihm als erstem Athlet in der Turngeschichte dreimal in Folge den Mehrkampftitel zu gewinnen. 2011 erzielte er bei seinem Sieg ebenfalls Bestnoten an vier Geräten (Boden, Seitpferd, Ringe und Barren) und gewann zusätzlich das Bodenfinale, erneut Silber mit der Mannschaft und Bronze am Reck.