Faits: A. A.a A._ est médecin anesthésiste. Son dernier emploi en qualité de salariée était au service d'un établissement hospitalier du canton Y._, pour lequel elle a travaillé jusqu'au 10 février 2004. A ce titre, elle était obligatoirement assurée contre le risque d'accidents auprès de la Winterthur Assurances, devenue en 2007 AXA Winterthur. A.b Le 17 février 2004, A._ a fait une chute à ski qui lui a occasionné une fracture communitive de la tête du tibia bi-condylienne gauche. La Winterthur Assurances est intervenue et a versé les prestations légales, l'accident étant survenu dans les 30 jours suivant celui où a pris fin le droit au demi-salaire au moins (art. 3 al. 2 LAA). Le processus de guérison de la fracture s'est révélé lent. Dans un rapport du 20 janvier 2006, le professeur J._, chirurgien traitant, a indiqué que l'assurée pouvait désormais charger complètement son genou sans boiterie et reprendre un travail à 100 %. A.c Le 16 mars 2006, en descendant une pente à ski, A._ a ressenti d'intenses douleurs au genou gauche. Elle s'est rendue à l'Hôpital cantonal Y._ où les médecins ont constaté une fracture transverse de la rotule gauche. Mandaté par la Winterthur Assurances pour une expertise, le docteur G._, chirurgien et spécialiste en médecine du sport, a conclu qu'il ne s'agissait pas d'un nouvel accident mais d'une suite de l'accident de ski de 2004 qui avait eu pour effet de fragiliser les structures osseuses (ostéoporose d'inactivité). Se fondant sur cet avis, l'assureur-accident a pris en charge le cas à titre de rechute. A.d Par lettre du 27 mai 2007, A._ a informé AXA Winterthur qu'en se promenant dans le hall du Centre commercial de X._ le 25 mai précédent, elle avait fait une chute - provoquant une fracture de son fémur - sans pouvoir s'expliquer pourquoi elle était tombée, car elle n'avait rencontré aucun obstacle, le sol était sec, et aucun tiers n'était impliqué. La prénommée a également précisé qu'elle n'avait pas repris d'activité lucrative et qu'elle était actuellement assurée auprès de la caisse-maladie des médecins suisses. A._ a été traitée par le professeur J._. Dans une note du 17 septembre 2007, ce médecin a fait les remarques suivantes au sujet de la responsabilité respective des deux assureurs concernés: "La fracture du fémur s'est produite lorsque la patiente était dans un centre commercial en marchant avec des souliers de sport. Elle a glissé et elle est tombée en hyperflexion et pense puisque avant elle n'était pas capable de fléchir au-delà de 100°, le fémur s'est cassé. Il faut ajouter qu'elle a encore de l'ostéoporose et l'inactivité due au deuxième accident, ce qui était bien visible par le fait qu'il s'agissait d'une fracture de torsion qui est typiquement l'expression d'une ostéoporose. On peut donc penser que le dernier accident est la suite des accidents précédents, c'est-à-dire du plateau tibial et de la rotule. Clairement la rotule était la conséquence du premier accident. Les assureurs devraient se partager les frais". Par décision du 7 février 2008, AXA Winterthur a refusé de prester. L'intéressée a formé opposition contre cette décision en produisant un certificat médical du 19 février 2008 du docteur O._, selon lequel la lésion osseuse résultant de l'événement du 25 mai 2007 était vraisemblablement "en relation partielle" avec une fragilité osseuse et une importante amyotrophie séquellaire consécutives aux accidents antérieurs. Après avoir requis l'avis de son médecin-conseil, le docteur U._ (appréciation médicale du 11 novembre 2008), AXA Winterthur a rejeté l'opposition dans une nouvelle décision du 30 janvier 2009. B. Par jugement du 10 novembre 2011, la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal vaudois a admis le recours de A._ et réformé la décision sur opposition du 30 janvier 2009 en ce sens que AXA Winterthur doit prendre en charge la totalité des suites de l'accident survenu le 25 mai 2007. C. AXA Winterthur interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement, dont elle requiert l'annulation. Elle demande au Tribunal fédéral de confirmer partiellement sa décision sur opposition et de lui renvoyer la cause pour instruction complémentaire en vue de déterminer à partir de quand et dans quelle mesure elle doit verser des prestations d'assurance pour la part du dommage attribuable à l'événement du 17 février 2004, voire de renvoyer la cause au tribunal cantonal afin que celui-ci ordonne la mise en oeuvre d'investigations complémentaires dans ce sens. A._ conclut au rejet du recours. L'Office fédéral de la santé publique a renoncé à se déterminer.