2009 war er gemeinsam mit dem Ungaren Krisztián Pars Favorit für die Weltmeisterschaften in Berlin, bei denen er sich mit 80,84 m gegen den Polen Szymon Ziółkowski durchsetzten konnte. Damit wurde er auch der erste Slowene, der einen Weltmeistertitel in der Leichtathletik gewinnen konnte. Am 2. September 2009 verbesserte er den slowenischen Rekord auf 82,58 m und siegte anschließend beim World Athletics Final in Thessaloniki mit 79,80 m. Daraufhin verkündete er im Oktober überraschend sein Karriereende, kehrte aber bereits 2010 wieder zum Spitzensport zurück. 2011 qualifizierte er sich abermals für Weltmeisterschaften im südkoreanischen Daegu, bei denen er mit einer Weite von 79,39 m die Bronzemedaille hinter dem Japaner Kōji Murofushi und dem Ungarn Pars gewann. Im Jahr darauf bestritt Kozmus nur zwei Wettkämpfe vor seinen vierten Olympischen Spielen in London, bei denen er mit Saisonbestleistung von 79,36 m im Finale die Silbermedaille hinter Pars gewann. Bei den Leichtathletik-Weltmeisterschaften 2013 in Moskau wurde er mit einem Wurf auf 79,22 m Vierter und im Jahr darauf erreichte er bei den Europameisterschaften in Zürich mit 77,46 m den sechsten Platz. Am 20. September 2014 bestritt er in Ljubljana seinen letzten internationalen Wettkampf, den er mit 70,66 m auch gewann.