I januar 2010 kom det definitive gjennombruddet da Northug ble juniorverdensmester i sprint i Hinterzarten i Tyskland foran en annen nordmann, Pål Golberg. I tillegg fikk han gull på 4 x 5 km stafett, sammen Didrik Tønseth, Pål Golberg og Finn-Hågen Krogh.