これまでの経験を踏まえ、陣営はオルフェーヴルに競馬を教えることに徹し、折り合いを教えていった。1月9日に行われた初戦のシンザン記念では、後方から最後の直線だけの競馬となり上がり3ハロン33秒5の豪脚で前に迫ったが、早めに抜け出したレッドデイヴィスの2着。2月6日のきさらぎ賞では、まずまずのスタートを切った後、中位からの差しに徹し、最後は上がり3ハロン33秒2の豪脚を繰り出すが、先に動いたトーセンラーの3着に終わった。もどかしいレースが続く中、池江は鞍上の池添に対し「（勝つのは）ダービーでいいから」との言葉を掛け、これにより池添はオルフェーヴルに競馬を教えることに専念することができた。その後、クラシックの権利取りのため出走を予定していたスプリングステークスは、東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）に伴う中山競馬場の開催中止により、3月26日に地元の阪神競馬場で行われた。このレースでは道中後方に控えると第4コーナーまでに早めに進出し、大外から内に切れ込みながらもベルシャザール以下を一気に差し切って重賞初制覇を飾った。生来の競走能力に加え、これまで教えられてきたことがようやく花開き始め、池添は勝利騎手インタビューで「普段の調教やレースで教えてきたことが身についてきたし、本番も楽しみになりました」と答えている。また、池江は「かわすときの脚はドリームジャーニーを見ているようだったね」と切れ味を信条とする兄になぞらえたコメントを残している。4月24日に開催された牡馬クラシック第1弾の皐月賞は、中山競馬開催中止の影響で舞台が東京競馬場に変更され、当初の予定より1週遅れで行われた。前哨戦に勝利したオルフェーヴルだったが、戦前の評価はそれほど高くはなく単勝10.8倍の4番人気に甘んじた。しかし、レースでは不利とされる外枠を上手く克服し、道中中団やや後方で折り合い良く待機、左回りのコーナーも難なくこなすと、最後の直線では馬群を割って先頭に立ち、1番人気のサダムパテックを3馬身引き離して圧勝。クラシック一冠目を獲得した。ゴールに向かって他馬を突き放す勝ち方に、池添は「初めて府中の直線が短く感じた」と振り返っている。この勝利により兄の果たせなかったクラシック制覇を果たし、池添は「兄貴が取れなかったクラシックを取れてめっちゃ嬉しいです！」と喜びを表現すると、池江も「競馬はブラッドスポーツ。ドリームジャーニーがクラシックで結果が出なかったのはいい勉強になった」と語っている。5月29日の牡馬クラシック第2弾東京優駿（日本ダービー）は、台風2号の影響により不良馬場での開催となり不確定要素の多いレースであったが、オルフェーヴルは単勝3.0倍の1番人気に支持された。当日の東京競馬場の芝コースは、午前中は内側が伸びるコンディションであったが、午後に入ってからは第8レースの青嵐賞で勝ち馬が馬場の外側から追込みを決めたように外が伸びる状態へと変化していった。このため池江は大外でも大丈夫と判断。一方、パドックでは池添が池江に対し「外ですね」と声をかけ、両者の意見が一致。いつも通り折り合いを大事にして直線は外に出すという作戦が決定された。レースでは良いスタートを決めると作戦通り道中は中団やや後ろにつけて折り合いに専念。迎えた第3コーナーで大外に持ち出そうとするも内側にささったため、馬群の真後ろのポジションで最後の直線を迎える。直線の入り口で外から被せてきたナカヤマナイトと馬体を接触し鞍上の池添がバランスを崩すも、そこで引くことなくサダムパテックとの間にできたわずかな隙間を見逃さず一気の脚で抜け出し、2着のウインバリアシオンの追撃も振り切って、1馬身4分の3差をつけて優勝を飾った。3着にはさらに7馬身差をつけての快勝で、極悪馬場という試練も乗り越えクラシックニ冠目を獲得。2008年に生まれたサラブレッド7458頭の頂点に立った。デビュー以来コンビを組み絆を紡いできた池添は、「ずっと乗ってきた強みがある。テン乗りの馬にだけは負けたくないと思っていた」とのコメントを残している。なお、新潟デビュー馬が東京優駿を制したのは1984年のシンボリルドルフ以来、27年ぶり2頭目となった。また、皐月賞、東京優駿ともに東京競馬場で行われての二冠は1964年のシンザン以来47年ぶり3頭目である。夏場は涼しい北海道ではなく、栗東近郊のノーザンファームしがらきへ放牧に出された。この意図について池江は、8月下旬に北海道から戻ってきたときの大きな気温差により馬に負担がかかるのを避けたかったとしている。秋初戦、陣営は菊花賞に向けてのステップレースとして9月25日に地元の阪神競馬場で行われる神戸新聞杯を選択した。無事に夏を越し成長した姿を見せたオルフェーヴルは単勝1.7倍の圧倒的な支持を受けた。レースでは好スタートを決めた後、先行集団に付けるという今までにない競馬を見せた。最初の1000メートルが63秒5というスローな流れの中、道中は何とか折り合いをつけてじっと動かずに進み、迎えた第3コーナーで外から蓋をしにかかったウインバリアシオンに呼応して一気に捲る。最後の直線で上がり3ハロン32秒8という切れ味を発揮して早めに抜け出すと、池添がほとんど鞭を使うことなく2着ウインバリアシオンに2馬身半差をつけて勝利、重賞4連勝で秋初戦を飾った。馬体重が前走から16キログラム増の460キログラムと馬体が逞しくなっただけでなく、パドックでは外側を堂々と周回し、レースでは先行して折り合って見せるなど、あらゆる面で成長を感じさせる内容であった。これに関し勝利騎手インタビューで池添は「まだ粗削りだけど反応の速さがすごい。体の緩さがなくなりトモがしっかりしてきた。どこまで強くなっていくのか」とオルフェーヴルの成長ぶりを表した。また、スローペースの中、先行し早めに抜け出すという横綱競馬を見せたことについて、池江は「（オルフェーヴルの母の父である）メジロマックイーンみたいだったね」と顔をほころばせ、池江の父である池江泰郎元調教師も「こんなに楽に勝てるとは思わなかった。何もかもがいい経験になった」と目を細めていた。なお、このレースは2007年にドリームジャーニーも制しており兄弟制覇となった。三冠をかけて臨んだ10月23日の牡馬クラシック第3弾・第72回菊花賞では、およそ6万8000人の大観衆が京都競馬場に駆け付ける中、単勝支持率58.28％、単勝オッズ1.4倍の圧倒的な1番人気に支持された。三冠がかかったレース前、緊張する池添に対し、池江は具体的な作戦ではなく「謙一とオルフェーヴルを信じている」と、また担当厩務員である森澤は「自信をもって乗ってきてください」と声をかけた。レースでは、外目の14番枠に入り隣の枠のサンビームがゲート内で暴れるも影響を受けることなく好スタートを切ると上手く内側に進路を取ったが、最初の第3コーナーで次々と他馬が外から擦っていったこともありスタンド前にかけて行きたがる気配を見せた。しかし、池添が馬群に入れて落ち着かせながら中団好位をキープして進むと、向正面では長手綱にするほど折り合いがつき、2周目の第3コーナーから徐々に進出を開始。最後の直線に入った所で早めに先頭に立つとそのまま独走態勢に入り、最後方から追い込むという奇襲に出たウインバリアシオンの追撃も2馬身半差退けて、栄光のゴールを駆け抜けた。この勝利によりオルフェーヴルは、2005年のディープインパクト以来6年ぶり史上7頭目のクラシック三冠馬に輝いた。自ら動いて早々とセーフティーリードを築き、最後は手綱を抑える余裕を見せたにも関わらずコースレコードに0.1秒と迫る好タイムを残すという、強い競馬であったが、早めに先頭に立ったことに関して池添は「この馬が後ろから差されるイメージはなかった」と勝利騎手インタビューで明かしている。ゴール後には、池添がガッツポーズをせずに警戒していたにもかかわらず、1頭になったオルフェーヴルが外ラチに向かって逸走しデビュー戦同様に池添を振り落とすという珍事もあった。これにより森澤に引かれる形でのウイニングランとなったが、これについて池添は勝利騎手インタビューにおいて「僕とオルフェーヴルらしい」と苦笑いを浮かべながら答えていた。この勝利を受け、池江は「目標は、ボクの夢である凱旋門賞です」と述べ、翌年の凱旋門賞挑戦を表明した。なお、父・母・および母の父のすべてが内国産馬の三冠馬は史上初である。池添は1964年にシンザンで三冠を達成した栗田勝の32歳8ヶ月5日を更新する32歳3か月1日で最年少三冠ジョッキーとなり、池江の父である池江泰郎は2005年にディープインパクトで三冠を達成しているため史上初めて親子で三冠トレーナーとなった。三冠達成後はノーザンファームしがらきへ短期放牧に出された。次走には菊花賞からのレース間隔を考え第56回有馬記念を選択。12月25日、6年ぶりのクリスマス・グランプリとなった有馬記念に出走した。ファン投票こそ、この競走での引退を発表しており最初で最後の対決として注目されたブエナビスタに次ぐ2位であったが、単勝では2.2倍の1番人気に支持された。この競走の出走メンバーは、ブエナビスタや当年のドバイワールドカップを制したヴィクトワールピサを含めGI馬9頭、計19冠という稀に見る豪華なメンバーであったが、追い切り後に池添は「（再戦の機会が無いブエナビスタに）負けたら（負けたと）言い続けられる」と述べ、池江も「（池添と）一番強いところを見せようと話していた」と語るなど、陣営は現役最強の称号獲得に並々ならぬ意欲を燃やしていた。レースではスタートでやや立ち遅れ、前半1000メートルの通過が63秒8という超スローペースの中、最後方付近の内ラチ沿いという苦しい位置取りであったが、第2コーナーで鞍上の池添に導かれ馬群の外へ出すことに成功すると、残り700メートル付近から徐々にポジションを上げ大外を捲っていく。最後の直線、トーセンジョーダンらを交わして外から抜け出すとエイシンフラッシュやトゥザグローリーらの追撃を4分の3馬身差封じ、究極の瞬発力勝負となったグランプリを制覇し、「四冠馬」となった。当日の中山競馬場は朝から好天に恵まれていたが、オルフェーヴルが先頭でゴール板を駆け抜ける前後から雪がちらつき始め、表彰式は幻想的な雰囲気の中で行われた。直線が短く小回りで先行有利とされる中山競馬場において豪華メンバー相手にスローペースの中、大外を捲って勝利したことに対し、勝利騎手インタビューで池添は「強かったという言葉しか出てこない」と答えていた。また池添はオルフェーヴルの乗り味について「スピードの乗りは抜群で沈むように走りました。ちょっと仕掛けたら沈むようにハミを取って進んで行ってくれて、ねじ伏せるように直線は伸びてくれましたからね。すごい馬です」と興奮気味に答えていた。なお、同レースは2009年にドリームジャーニーも制しており、史上初の兄弟制覇となった。また、同一年のクラシック三冠と有馬記念制覇はナリタブライアン以来17年ぶり3頭目である。当年は8戦6勝。スプリングステークス以降は破竹の重賞6連勝、牡馬クラシック三冠を含むGI4勝という好成績を残し、JRA賞年度代表馬および最優秀3歳牡馬に選出された。また、2011年のワールド・サラブレッド・ランキングにおいて、有馬記念のパフォーマンスが123ポンドと評価され、2011年の日本調教馬では最高の第17位タイにランクされた。菊花賞でのパフォーマンスは122ポンドと評価された。