Bei ihren zweiten Olympischen Winterspielen, die 2006 in Italien stattfanden, fuhr Vonn im ersten Trainingslauf die zweitbeste Zeit, stürzte jedoch im zweiten Trainingslauf und musste mit dem Hubschrauber nach Turin geflogen werden, wo sie über Nacht im Krankenhaus lag. Trotz Prellungen und starker Schmerzen kehrte Vonn 2 Tage später auf die Piste zurück. Sie nahm am Wettbewerb teil, wurde Achte und gewann den U.S. Olympic Spirit Award für ihre tapfere Leistung trotz Schmerzen. Beim Weltcup 2007 belegte sie in der Abfahrt und im Super-G jeweils den dritten Platz. Im Jahr 2008 gewann Vonn den Gesamtweltcup und war damit erst die zweite Amerikanerin, der dies gelang. Am 8. März desselben Jahres stellte sie in der Schweiz mit zehn Siegen in der Abfahrt einen neuen amerikanischen Rekord für die meisten Weltcup-Siege auf. In den Jahren 2009 und 2010 wiederholte sie ihren Gesamtweltcup-Sieg. Im Jahr 2010 wurde sie bei den Laureus World Sports Awards zur Sportlerin des Jahres gewählt. Bei den Olympischen Winterspielen 2010 in Vancouver wollte Vonn in allen fünf alpinen Disziplinen der Frauen antreten, doch eine schwere Schienbeinprellung nach einem Trainingsunfall hielt sie davon ab. Dennoch gewann Vonn die Goldmedaille in der Abfahrt, schlug ihre langjährige Rivalin Julie Mancuso um 0,56 Sekunden und wurde die erste Amerikanerin, die Gold in der Abfahrt gewann. 2011 verlor Vonn den Gesamtweltcup mit nur drei Punkten Vorsprung auf Maria Riesch.

Geplagt von Krankheit begann Vonns Saison 2013 holprig, als sie eine Pause vom Weltcup einlegte. Nachdem Verletzungen ihre Leistungen im Jahr 2014 beeinträchtigten, entschied sie sich, auch in diesem Jahr nicht im Weltcup anzutreten. Ihr Comeback gab sie Ende des Jahres bei der Weltcup-Abfahrt der Damen in Lake Louise, Alberta, mit einem Sieg. Im März 2015 gewann sie die Weltcup-Abfahrt in Meribel, Frankreich, und holte sich zum siebten Mal den Weltcup-Titel in der Abfahrt. Im Jahr 2016 gab Vonn über Facebook bekannt, dass sie sich einer Operation unterzogen hatte, um einen schweren Oberarmknochenbruch ihres rechten Arms zu reparieren, der auf einen Trainingssturz zurückzuführen war. Im Januar 2017 kehrte sie in den Weltcup zurück und holte sich ihren 77. Sieg. Bei den Olympischen Winterspielen 2018 in Südkorea belegte Vonn den 6. Platz im Super-G der Frauen und gewann die Bronzemedaille in der Abfahrt der Frauen. Zu Beginn des alpinen Skiweltcups 2018-2019 gab sie ihren Rücktritt bekannt. Am 10. Februar 2019 gewann Vonn bei den Weltmeisterschaften eine Bronzemedaille in der Damenabfahrt und war damit die älteste Frau, die mit 34 Jahren eine Medaille bei einer Weltmeisterschaft gewann. Damit zog sie sich vollständig aus dem Rennsport zurück.