Battre le record du kilomètre est le principal objectif d'Arnaud Tournant en 2001, avec l'ambition d'être le premier à passer sous la minute. Il reprend la compétition en juin au Trophée Fenioux et dispute son premier kilomètre en juillet aux championnats de France. Diminué par une contracture ntervenue deux semaines plus tôt, il est vainqueur en . Il obtient deux autres médailles en vitesse et vitesse par équipes. Il part ensuite à Mexico, pour sa seule manche de coupe du monde de l'année. Il parcourt cette fois le kilomètre dans un temps rassurant de , soit la troisième meilleure performance jamais réalisée. En septembre, il prend part aux championnats du monde à Anvers. À du siège de son fan club, près d'une centaine de ses supporters ont fait le déplacement. Avec un temps de , il décroche son quatrième tittre mondial au kilomètre, devant Lausberg. Il égale ainsi Lothar Thoms, quatre fois champion du monde durant les années 1980. S'imposant avec huiti dixièmes d'avance, il juge cette victoire la plus difficile de celles obtenues en championnat du monde. Le lendemain, il décroche un nouveau titre en vitesse par équipes avec Rousseau et Gané, en battant l'Australie en finale avec deux dixièmes d'avance. En vitesse individuelle, Arnaud Tournant réalise le meilleur temps sur en début de tournoi. En demi-finale, il rencontre une nouvelle fois Jens Fiedler, qu'il bat. Il affronte en finale Laurent Gané, qu'il n'a jamais battu. Vaincu en première manche, Tournant décide de discrétement faire changer son plateau avant la manche suivante, remplaçant le plateau de 49 dents par un autre de 50 dents. Il surprend ainsi Gané en lançant son sprint de loin et enlève les deux manches suivantes. Il est le premier coureur à gagner kilomètre, vitesse individuelle et par équipes lors de championnats du monde. Rousseau s'imposant sur Fiedler pour la médaille de bronze, le podium de la vitesse est entièrement français.