Vonnin toisissa talviolympialaisissa, jotka pidettiin Italiassa vuonna 2006, hän kellotti toiseksi parhaan ajan ensimmäisessä harjoituslaskussa, mutta kaatui kuitenkin toisessa harjoituslaskussa ja hänet jouduttiin evakuoimaan helikopterilla Torinoon, jossa hän joutui yön yli sairaalaan. Mustelmista ja kovista kivuista huolimatta Vonn palasi rinteeseen kaksi päivää myöhemmin. Hän kilpaili ja sijoittui kahdeksanneksi ja voitti Yhdysvaltain olympiahenkisen palkinnon rohkeasta suorituksestaan kivusta huolimatta. Vuoden 2007 maailmancupissa hän sijoittui kolmanneksi mäkihypyn ja super-G:n kilpailuissa. Vuonna 2008 Vonn voitti maailmancupin kokonaiskilpailun mestaruuden, ja hänestä tuli vasta toinen amerikkalainen nainen. Hän teki uuden amerikkalaisen ennätyksen useimmista maailmancupin alamäkivoitoista kymmenellä Sveitsissä 8. maaliskuuta samana vuonna. Hän toisti maailmancupin kokonaisvoittonsa vuosina 2009 ja 2010. Vuonna 2010 hänet nimettiin vuoden urheilijaksi Laureus World Sports Awards -kilpailussa. Vancouverin talviolympialaisissa vuonna 2010 Vonn aikoi kilpailla kaikissa viidessä naisten alppihiihdon lajissa, mutta harjoitusonnettomuudesta aiheutunut vakava säären ruhje esti häntä osallistumasta. Vonn voitti kuitenkin kultamitalin alamäessä voittamalla pitkäaikaisen kilpakumppaninsa Julie Mancuson 0,56 sekunnilla ja tulemalla ensimmäiseksi amerikkalaiseksi naiseksi, joka on voittanut kultaa alamäessä. Vuonna 2011 Vonn hävisi maailmancupin kokonaiskilpailun Maria Rieschille vain kolmella pisteellä.

Sairauden vaivaama Vonnin kausi 2013 alkoi huonosti, kun hän piti taukoa maailmancupista. Kun loukkaantumiset kiusasivat hänen suorituksiaan vuonna 2014, hän päätti olla kilpailematta maailmancupissa myös sinä vuonna. Hän teki paluun saman vuoden lopulla naisten maailmancupin alamäkikilpailussa Lake Louisessa Albertassa voittamalla kilpailun. Maaliskuussa 2015 hän voitti maailmancupin alamäkikilpailun Ranskan Meribelissä ja voitti maailmancupin alamäkimestaruuden seitsemännen kerran. Vuonna 2016 Vonn ilmoitti Facebookin kautta, että hänelle oli tehty leikkaus, jossa korjattiin harjoittelutörmäyksen seurauksena vakavasti murtunut oikean käden olkaluu. Hän palasi maailmancupiin tammikuussa 2017 ja nappasi 77. voittonsa. Etelä-Korean talviolympialaisissa 2018 Vonn sijoittui naisten Super-G:ssä kuudenneksi ja voitti pronssia naisten laskettelussa. Hän ilmoitti lopettamisestaan alppihiihdon maailmancupin 2018-2019 alussa. 10. helmikuuta 2019 Vonn voitti MM-kilpailuissa pronssia naisten alamäessä, mikä teki hänestä vanhimman naisen, joka on voittanut mitalin 34-vuotiaana MM-kilpailuissa. Sen myötä hän vetäytyi kokonaan kilpaurheilusta.