Lors des deuxièmes Jeux olympiques d’hiver de Vonn, qui ont eu lieu en Italie, en 2006, elle a réalisé le deuxième meilleur temps lors de la première descente d’entraînement, mais a chuté lors de la deuxième descente d’entraînement et a dû être évacuée par hélicoptère à Turin, où elle a été hospitalisée pendant la nuit. Malgré des contusions et de fortes douleurs, Vonn est retournée sur la piste deux jours plus tard. Elle a participé à la compétition, a terminé huitième et a remporté le prix de l’esprit olympique des États-Unis en raison de sa performance courageuse malgré la douleur. Lors de la Coupe du monde 2007, elle a terminé troisième pour les compétitions de descente et de super-G. En 2008, Vonn a remporté le titre général de la Coupe du monde, devenant seulement la deuxième Américaine à le faire. Elle établit un nouveau record américain pour le plus grand nombre de victoires en descente en Coupe du monde avec dix victoires en Suisse le 8 mars de cette année-là. Elle réitère ses victoires au classement général de la Coupe du monde en 2009 et 2010. En 2010, elle a été nommée sportive de l’année lors des Laureus World Sports Awards. Aux Jeux olympiques d’hiver de Vancouver en 2010, Vonn avait prévu de participer aux cinq épreuves alpines féminines, mais un tibia gravement contusionné suite à un accident à l’entraînement l’en a empêchée. Cependant, Vonn a remporté la médaille d’or en descente, battant sa rivale de longue date Julie Mancuso de 0,56 seconde et devenant la première Américaine à remporter l’or en descente. En 2011, Vonn a perdu le classement général de la Coupe du monde face à Maria Riesch par seulement trois points.

Soufflée par la maladie, la saison 2013 de Vonn a connu un début difficile puisqu’elle a fait une pause du circuit de la Coupe du monde. Après que des blessures aient plombé ses performances en 2014, elle a décidé de ne pas participer à la Coupe du monde cette année-là non plus. Elle fait son retour à la fin de cette année-là lors de la descente de la Coupe du monde féminine à Lake Louise, en Alberta, en remportant l’épreuve. En mars 2015, elle remporte la descente de la Coupe du monde à Méribel, en France, et s’empare du titre de championne du monde de descente pour la septième fois. En 2016, Vonn a annoncé via Facebook qu’elle avait subi une intervention chirurgicale pour réparer une fracture grave de l’os humérus de son bras droit due à une chute à l’entraînement. Elle est revenue à la Coupe du monde en janvier 2017 et a remporté sa 77e victoire. Aux Jeux olympiques d’hiver de 2018 en Corée du Sud, Vonn a terminé 6e ex-aequo au Super-G féminin et a remporté la médaille de bronze en descente féminine. Elle a annoncé sa retraite au début de sa Coupe du monde de ski alpin 2018-2019. Le 10 février 2019, Vonn a remporté une médaille de bronze en descente féminine aux championnats du monde, faisant d’elle la femme la plus âgée à remporter une médaille à 34 ans lors d’un championnat du monde. Avec cela, elle se retire complètement du circuit de course.