Beter verging het haar in het dubbelspel. In 2008 nam Vesnina deel aan de Olympische Spelen in Peking – samen met Vera Zvonarjova bereikte zij de kwartfinale. In het dubbelspel won zij in 2011 twee WTA-titels met de Indiase Sania Mirza, met wie zij dat jaar in de finale van Roland Garros stond. Sinds 2012 in het vrouwendubbelspel samenspelend met Jekaterina Makarova, nam zij met haar deel aan de Olympische Spelen in Londen – ook nu kwam zij in de kwartfinale. Met Makarova stond zij 26 keer in een finale waar­van zij er twaalf wonnen – onder meer op het gravel van Roland Garros in 2013 en op het hardcourt van het US Open in 2014. Met dezelfde partner greep zij in 2016 de gouden medaille op de Olympische Spelen in Rio de Janeiro alsmede het eindejaarskampioenschap in Singapore plus in 2017 de titel op Wimbledon. In totaal won zij negentien titels op het WTA-circuit of hoger.