Durante il 2009-2010 di sei successi consecutivi in gare veloci e nel fine settimana di gare tenutesi a Haus (8-10 gennaio 2010) ha vinto tre gare in tre giorni (due discese libere e un supergigante), impresa riuscita solamente a pochi atleti nella storia. Ai XXI Giochi olimpici invernali di , , la Vonn ha vinto il 17 febbraio la medaglia d'oro nella discesa libera, prima statunitense ad aggiudicarsi questo titolo. Pochi giorni dopo ha conquistato inoltre il bronzo nel supergigante, nella prova vinta da Andrea Fischbacher davanti a Tina Maze; non ha invece concluso lo slalom gigante, lo slalom speciale e la supercombinata. Il 12 marzo, vincendo l'ultimo supergigante della stagione nel corso delle finali di Garmisch-Partenkirchen, ha conquistato la sua terza Coppa del Mondo assoluta con 1.671 punti, 11 successi e 17 podi, precedendo in classifica la tedesca Maria Riesch per il secondo anno consecutivo. Il titolo assoluto ha fatto seguito a quelli già conquistati in discesa libera, in supergigante e in combinata. La vittoria del 12 marzo è stata inoltre la sua 33ª in Coppa del Mondo .