Vonn 2006-ban, Olaszországban rendezett második téli olimpiáján a második legjobb időt érte el az első edzésfutamban, a második edzésfutamban azonban összeesett, és helikopterrel kellett Torinóba evakuálni, ahol egy éjszakára kórházba került. A zúzódások és a súlyos fájdalmak ellenére Vonn 2 nappal később visszatért a lejtőre. Versenyzett, és a nyolcadik helyen végzett, és a fájdalmak ellenére is bátor teljesítménye miatt elnyerte az amerikai olimpiai szellem díját. A 2007-es világbajnokságon harmadik lett a lesiklás és a szuper-G versenyszámokban. 2008-ban Vonn megnyerte a világkupa összesített világbajnoki címét, és ezzel mindössze a második amerikai nő lett, akinek ez sikerült. Új amerikai rekordot állított fel a legtöbb világkupa-győzelmet hozó lesiklásban: tíz győzelmet aratott Svájcban, ugyanezen év március 8-án. Az összesített világkupa-győzelmét 2009-ben és 2010-ben is megismételte. 2010-ben a Laureus World Sports Awards-on az év sportolójának választották. A 2010-es vancouveri téli olimpián Vonn úgy tervezte, hogy mind az öt női alpesi versenyszámban indul, azonban egy edzésbalesetből származó súlyos sípcsontzúzódás visszatartotta. Vonn azonban a lesiklásban aranyérmet nyert, 0,56 másodperccel megelőzve régi riválisát, Julie Mancusót, és az első amerikai nő lett, aki aranyérmet nyert lesiklásban. 2011-ben Vonn az összesített világkupában mindössze három ponttal kapott ki Maria Riesch-től.

A betegségektől sújtott Vonn 2013-as szezonja nehezen indult, mivel szünetet tartott a világkupában. Miután 2014-ben sérülések hátráltatták a teljesítményét, úgy döntött, hogy abban az évben sem indul a világkupában. Az év végén az albertai Lake Louise-ban rendezett női lesiklás világkupa-versenyen tért vissza, megnyerve a versenyt. 2015 márciusában megnyerte a franciaországi Meribelben rendezett lesiklás világkupa-futamot, és hetedszerre szerezte meg a lesiklás világkupa-címet. 2016-ban Vonn a Facebookon keresztül jelentette be, hogy műtéten esett át, hogy helyrehozzák a jobb karjának súlyosan eltört felkarcsontját egy edzésbaleset következtében. A világkupában 2017 januárjában tért vissza, és megszerezte 77. győzelmét. A 2018-as dél-koreai téli olimpián Vonn a 6. helyen végzett a női szuper-G-ben, és bronzérmet nyert a női lesiklásban. A 2018-2019-es alpesi sí-világbajnokság kezdetén bejelentette visszavonulását. 2019. február 10-én Vonn bronzérmet nyert női lesiklásban a világbajnokságon, ezzel ő lett a legidősebb nő, aki 34 évesen érmet nyert egy világbajnokságon. Ezzel teljesen visszavonult a versenyzéstől.