Na svých druhých zimních olympijských hrách, které se konaly v Itálii v roce 2006, dosáhla Vonnová v první tréninkové jízdě druhého nejlepšího času, ale ve druhé tréninkové jízdě havarovala a musela být evakuována vrtulníkem do Turína, kde byla přes noc hospitalizována. Navzdory modřinám a silným bolestem se Vonnová po dvou dnech vrátila na svah. Závodila, skončila osmá a díky svému statečnému výkonu přes bolest získala cenu U.S. Olympic Spirit Award. Na Světovém poháru v roce 2007 skončila na třetím místě za sjezd a super-G. V roce 2008 Vonnová získala celkový titul ve Světovém poháru a stala se teprve druhou Američankou, které se to podařilo. Ve Švýcarsku 8. března téhož roku vytvořila nový americký rekord v počtu vítězství ve sjezdu ve Světovém poháru, když jich získala deset. Své celkové vítězství ve Světovém poháru zopakovala i v letech 2009 a 2010. V roce 2010 byla při udílení cen Laureus World Sports Awards vyhlášena sportovkyní roku. Na zimních olympijských hrách ve Vancouveru v roce 2010 Vonnová plánovala startovat ve všech pěti ženských alpských disciplínách, avšak těžce pohmožděná holeň po nehodě při tréninku ji zastavila. Vonnová však získala zlatou medaili ve sjezdu, když porazila dlouholetou soupeřku Julii Mancusovou o 0,56 sekundy a stala se první Američankou, která získala zlato ve sjezdu. V roce 2011 Vonnová prohrála celkové vítězství ve Světovém poháru s Marií Rieschovou o pouhé tři body.

Na začátku sezony 2013, kdy si Vonnová dala pauzu od závodů Světového poháru, ji trápila nemoc. Poté, co její výkony v roce 2014 trápila zranění, rozhodla se ani v tomto roce nezávodit ve Světovém poháru. Návrat uskutečnila na konci téhož roku v závodě Světového poháru ve sjezdu žen v Lake Louise v Albertě, který vyhrála. V březnu 2015 vyhrála závod Světového poháru ve sjezdu ve francouzském Meribelu a posedmé získala titul mistryně světa ve sjezdu. V roce 2016 Vonnová prostřednictvím Facebooku oznámila, že podstoupila operaci, při níž jí byla v důsledku tréninkového pádu opravena vážně zlomená pažní kost pravé ruky. Do Světového poháru se vrátila v lednu 2017 a vybojovala své 77. vítězství. Na zimních olympijských hrách 2018 v Jižní Koreji Vonnová obsadila 6. místo v ženském super-G a získala bronzovou medaili ve sjezdu. Na začátku Světového poháru v alpském lyžování 2018-2019 oznámila ukončení kariéry. Dne 10. února 2019 Vonnová získala na mistrovství světa bronzovou medaili ve sjezdu žen, čímž se stala nejstarší ženou, která ve 34 letech získala medaili na světovém šampionátu. Tímto krokem se plně stáhla ze závodního kolotoče.

Sjezdařka ukončila kariéru.