Vid VM i Holmenkollen 2011 tog Johaug guld på tremilen före Marit Bjørgen. Hon ingick också i det norska stafettlag som vann guld på 4 x 5 km samt tog brons i dubbeljakten. I Lahtis veckan efter VM tog hon sin första individuella världscupseger då hon vann 10 km dubbeljakt, före Justyna Kowalczyk och Arianna Follis. Hon blev tilldelad Olavstatuetten 2011, och på norska Idrettsgallaen 2012 blev hon tilldelad priset för "Årets navn". För sin seger på tremilen under VM 2011 fick hon Porsgrunds Porselænsfabriks Ærespris.