En los segundos Juegos Olímpicos de Invierno de Vonn, celebrados en Italia en 2006, consiguió el segundo mejor tiempo en la primera carrera de entrenamiento, pero se estrelló en la segunda y tuvo que ser evacuada en helicóptero a Turín, donde pasó la noche hospitalizada. A pesar de las magulladuras y los fuertes dolores, Vonn regresó a la pista dos días después. Compitió y terminó en octava posición y ganó el Premio al Espíritu Olímpico de Estados Unidos por su valiente actuación a pesar del dolor. En la Copa del Mundo de 2007, terminó tercera en las competiciones de descenso y super-G. En 2008, Vonn ganó el título general de la Copa del Mundo, convirtiéndose en la segunda mujer estadounidense en conseguirlo. Estableció un nuevo récord americano de victorias en la Copa del Mundo de descenso con diez en Suiza el 8 de marzo de ese año. Repitió su victoria en la Copa del Mundo en 2009 y 2010. En 2010, fue nombrada Deportista del Año en los Premios Laureus del Deporte Mundial. En los Juegos Olímpicos de Invierno de Vancouver de 2010, Vonn tenía previsto competir en las cinco pruebas alpinas femeninas, pero una espinilla gravemente magullada a causa de un accidente de entrenamiento la frenó. Sin embargo, Vonn ganó la medalla de oro en el descenso, superando a su rival de toda la vida Julie Mancuso por 0,56 segundos y convirtiéndose en la primera mujer estadounidense en ganar el oro en descenso. En 2011, Vonn perdió la general de la Copa del Mundo frente a Maria Riesch por sólo tres puntos.

Afectada por la enfermedad, la temporada 2013 de Vonn tuvo un comienzo difícil, ya que se tomó un descanso del circuito de la Copa del Mundo. Después de que las lesiones plagaran sus actuaciones en 2014, decidió no competir tampoco en la Copa del Mundo ese año. Reapareció a finales de ese año en la carrera de descenso de la Copa del Mundo femenina en Lake Louise, Alberta, ganando la prueba. En marzo de 2015, ganó la carrera de descenso de la Copa del Mundo en Meribel (Francia) y se proclamó campeona de la Copa del Mundo de descenso por séptima vez. En 2016, Vonn anunció a través de Facebook que se había sometido a una intervención quirúrgica para reparar una grave fractura del hueso húmero de su brazo derecho debido a un accidente de entrenamiento. Regresó a la Copa del Mundo en enero de 2017 y consiguió su 77ª victoria. En los Juegos Olímpicos de Invierno de 2018 en Corea del Sur, Vonn empató en el sexto puesto en el Super-G femenino y ganó la medalla de bronce en el descenso femenino. Anunció su retirada al inicio de la Copa del Mundo de Esquí Alpino 2018-2019. El 10 de febrero de 2019, Vonn ganó la medalla de bronce en descenso femenino en los Campeonatos del Mundo, convirtiéndose en la mujer de más edad en ganar una medalla a los 34 años en un campeonato mundial. Con ello, se retiró por completo del circuito de carreras.