Олимпийский сезон 2009/2010 стал для Нойнер самым удачным годом в спортивной карьере. Дебютная для неё Олимпиада, проходившая в феврале 2010 года в Ванкувере, принесла сразу три награды и титул двукратной олимпийской чемпионки — на трассах Олимпийского парка Уистлера Нойнер не было равных в гонке преследования и гонке с общего старта, спринтерская же гонка принесла ей серебряную олимпийскую медаль. Помимо этого, Нойнер, как и в 2008 году, одержала победу в общем зачёте Кубка мира, став двукратной обладательницей Большого хрустального глобуса, а также добавила в свою коллекцию наград и два Малых хрустальных глобуса — на сей раз в зачёте гонок преследования и гонок с общего старта. Завершением триумфального сезона стала победа в смешанной эстафете на чемпионате мира, сделавшая Нойнер семикратной чемпионкой мира.