Ved Vonns andet vinter-OL, der blev afholdt i Italien i 2006, kørte hun den næstbedste tid i det første træningsløb, men styrtede i det andet træningsløb og måtte evakueres med helikopter til Torino, hvor hun blev indlagt på hospitalet natten over. Trods blå mærker og stærke smerter vendte Vonn tilbage til pisten 2 dage senere. Hun deltog i konkurrencen og sluttede som nummer otte og vandt U.S. Olympic Spirit Award på grund af sin modige præstation på trods af smerter. Ved World Cup 2007 sluttede hun på tredjepladsen i nedkørsel og super-G-konkurrencerne. I 2008 vandt Vonn den samlede World Cup-titel og blev dermed kun den anden amerikanske kvinde til at gøre det. Hun satte en ny amerikansk rekord for flest World Cup-sejre i nedkørsel med ti sejre i Schweiz den 8. marts samme år. Hun gentog sine samlede World Cup-sejre i 2009 og 2010. I 2010 blev hun kåret som årets sportskvinde ved Laureus World Sports Awards. Ved de olympiske vinterlege i Vancouver i 2010 planlagde Vonn at deltage i alle fem alpine discipliner for kvinder, men et alvorligt kvæstet skinneben efter en træningsulykke holdt hende tilbage. Vonn fortsatte dog med at vinde guldmedaljen i nedkørsel, idet hun slog sin mangeårige rival Julie Mancuso med 0,56 sekunder og blev den første amerikanske kvinde til at vinde guld i nedkørsel. I 2011 tabte Vonn den samlede World Cup til Maria Riesch med blot tre point.

Sygdomsramt fik Vonns 2013-sæson en hård start, da hun tog en pause fra World Cup-kredsløbet. Efter at skader plagede hendes præstationer i 2014, besluttede hun sig for heller ikke at deltage i World Cup’en det år. Hun gjorde comeback i slutningen af det år ved kvindernes World Cup-afkørsel i Lake Louise i Alberta ved at vinde løbet. I marts 2015 vandt hun World Cup downhill løbet i Meribel, Frankrig, og tog dermed World Cup downhill titlen for syvende gang. I 2016 meddelte Vonn via Facebook, at hun havde gennemgået en operation for at reparere et alvorligt brud på overarmsknoglen i højre arm som følge af et træningsstyrt. Hun vendte tilbage til World Cup i januar 2017 og tog sin 77. sejr. Ved de Olympiske Vinterlege i 2018 i Sydkorea opnåede Vonn en delt 6. plads i kvindernes Super-G og vandt bronzemedalje i kvindernes nedkørsel. Hun annoncerede sin pensionering ved starten af den alpine ski-verdensmesterskab 2018-2019. Den 10. februar 2019 vandt Vonn en bronzemedalje i kvindernes nedkørsel ved verdensmesterskaberne, hvilket gjorde hende til den ældste kvinde til at vinde en medalje i en alder af 34 år ved et verdensmesterskab. Dermed trak hun sig helt tilbage fra løbekredsen.