Pour ses débuts lors des mondiaux 2017 de Lahti, elle termine troisième de sa demi-finale et ne parvient pas à terminer parmi les deux autres meilleurs temps. Lors du skiathlon qui est son principal objectif, elle figure parmi les quatre fondeuses à occuper la tête à mi-parcours, après le parcours classique, avec Marit Bjørgen, la Finlandaise Krista Pärmäkoski et la Suédoise Charlotte Kalla. Dès le début du parcours libre, Bjørgen et Pärmäkoski s'échappent, puis plus tard, Kalla lâche la Norvégienne qui termine finalement cinquième. Associée à Maiken Caspersen Falla sur le sprint par équipes, elle remporte le titre mondial en devançant les Russes de six secondes et les États-Unis de dix-huit. Elle réalise ensuite le quatrième temps sur le dix kilomètres classique. Heidi Weng fait partie de l'équipe norvégienne sur le relais quatre fois cinq kilomètres. Elle succède à Falla sur le deuxième parcours classique. Accompagnée de la Finlandaise Kerttu Niskanen, elle transmet le relais en tête à Astrid Jacobsen qui fait la différence en style libre face à Laura Mononen. Marit Bjørgen termine finalement en tête, devant la Suède et la Finlande. Lors de la dernière course féminine de la compétition, elle termine deuxième du trente kilomètres derrière Marit Bjørgen. Après les mondiaux, elle termine quatrième du trente kilomètres d'Oslo. Lors des Finales, disputées au Québec, elle termine deuxième du dix kilomètres classique derrière Marit Bjørgen. Partie avec cette dernière lors de la poursuite clôturant la compétition, elle est devancée lors du sprint et termine deuxième de ce mini-tour. Elle remporte son premier globe de cristal récompensant la première du classement général de la coupe du monde, remportant également le petit globe du classement des courses de distance.