Sesongen 2010–11 startet med at Northug ble syk under sesongåpningen på Beitostølen, og han stod over de første verdenscuprennene. I sitt første verdenscuprennet for sesongen, 15 km klassisk i Davos, ble han nummer 13. Påfølgende helg, i La Clusaz, ble han nummer to på 30 km fristil, fellesstart, bare spurtslått av russiske Maksim Vylegzjanin. Northug ble nummer to i Tour de Ski 2010/11 bak Dario Cologna. Etter å ha ligget nærmere to minutter bak Cologna i sammendraget midtveis, gikk han seg kraftig opp de to siste renndagene med en etappeseier på 20 km fellesstart og femte beste etappetid opp slalåmbakken i Val di Fiemme. Han ble nummer tre i begge de to siste verdenscuprennene før VM, 15 km klassisk og sprint klassisk i Drammen.