Johaug startet VM-sesongen 2010/11 bedre enn den forrige. På 10 km klassisk i Davos tok hun en tredjeplass, men det var først og fremst i Tour de Ski at hun imponerte. Hun hadde aldri vært på pallen sammenlagt i Tour de Ski før, og hun lå også på en niendeplass da to renn gjenstod. Men med en sterk andreplass på 10 km klassisk fellesstart, klatret hun i sammendraget. På den avsluttende jaktstarten opp slalåmbakken i Val di Fiemme hadde hun beste etappetid, over minuttet foran nærmeste konkurrent, og hun ble til slutt nummer to. Dette var hennes til da beste resultat i verdenscupen, sammen med andreplassen i verdenscupfinalen i 2009. Johaug tok en ny pallplass på 10 km klassisk i Otepää, en tredjeplass bak Marit Bjørgen og Justyna Kowalczyk.