Affecté par une méforme physique persistante, sa belle série en Coupe du monde prend fin lors de la saison 2018-2019 entièrement dominée par Johannes Thingnes Bø, comme lors des championnats du monde à Östersund où il ne remporte aucune médaille, ce qui ne lui était pas arrivé depuis sa première participation en 2009. Il se reprend la saison suivante, avec sept nouvelles victoires dans tous les formats de course, dont son onzième titre mondial individuel, le 19 février 2020 lors des championnats du monde à Anterselva pour égaler le total record de Ole Einar Bjørndalen. Il remporte également le relais masculin avec Émilien Jacquelin, Simon Desthieux et Quentin Fillon Maillet, ce qui constitue une première victoire collective pour la France aux Mondiaux depuis ceux de 2001. Il gagne à Kontiolahti son huitième petit globe de cristal du sprint, et se bat jusqu'au bout pour le gros globe. Après avoir annoncé la fin de sa carrière, il remporte sa dernière course, la poursuite disputée dans la station finlandaise, mais est battu de deux points au classement général par Johannes Bø.