Under OL i Vancouver var Northug en av de store favorittene på alle distansene, men han mislyktes både på 15 km fristil og 30 km fellesstart med skibytte. Etter tre løp stod han med bronse på sprint klassisk stil som beste resultat. Mandag 22. februar vant han sitt første OL-gull, sammen med Øystein Pettersen i lagsprint. Han gikk ankeretappen på det norske stafettlaget som tok sølvmedalje. På OLs avslutningsdag, 28. februar, vant Northug endelig individuelt OL-gull da han slo tyskeren Axel Teichmann i spurten og vant 50 km fellesstart i klassisk stil. Northug vant 50 kilometeren i Holmenkollen 13. mars 2010 foran italienske Pietro Piller Cottrer. Han vant dermed verdenscupen også sammenlagt for aller første gang. Under verdenscupfinalen i Sverige ble han nummer to på sprinten i Stockholm, i tillegg til at han vant 20 km dobbel jaktstart og verdenscupfinalen sammenlagt.