Alle seconde Olimpiadi invernali della Vonn, tenutesi in Italia, nel 2006, ha ottenuto il secondo miglior tempo nella prima manche di allenamento, ma è caduta nella seconda manche e ha dovuto essere evacuata in elicottero a Torino, dove è stata ricoverata per una notte. Nonostante i lividi e il forte dolore, la Vonn è tornata in pista 2 giorni dopo. Gareggiò e finì ottava e vinse l’U.S. Olympic Spirit Award per la sua coraggiosa performance attraverso il dolore. Alla Coppa del Mondo del 2007 è arrivata terza nelle gare di discesa e superG. Nel 2008, la Vonn ha vinto il titolo assoluto di Coppa del Mondo, diventando solo la seconda donna americana a farlo. Ha stabilito un nuovo record americano per il maggior numero di vittorie in discesa libera in Coppa del Mondo con dieci vittorie in Svizzera l’8 marzo di quell’anno. Ha ripetuto le sue vittorie complessive in Coppa del Mondo nel 2009 e nel 2010. Nel 2010 è stata nominata sportiva dell’anno ai Laureus World Sports Awards. Alle Olimpiadi invernali di Vancouver nel 2010 Vonn progettato per competere in tutti e cinque gli eventi alpini femminili, tuttavia, uno stinco gravemente contuso da un incidente di formazione tenuto indietro. Tuttavia, Vonn ha continuato a vincere la medaglia d’oro nella discesa libera, battendo la rivale di lunga data Julie Mancuso b 0,56 secondi e diventando la prima donna americana a vincere l’oro in discesa libera. Nel 2011, Vonn ha perso la Coppa del mondo complessiva a Maria Riesch da soli tre punti.

Sfidato dalla malattia, la stagione 2013 di Vonn ha avuto un inizio difficile come lei ha preso una pausa dal circuito di Coppa del mondo. Dopo gli infortuni hanno afflitto le sue prestazioni nel 2014, ha deciso di non competere in Coppa del mondo anche quell’anno. Ha fatto un ritorno alla fine di quell’anno nella discesa libera di Coppa del Mondo femminile a Lake Louise, Alberta, vincendo l’evento. Nel marzo 2015 ha vinto la discesa libera di Coppa del Mondo a Meribel, in Francia, conquistando per la settima volta il titolo di discesa libera di Coppa del Mondo. Nel 2016, la Vonn ha annunciato via Facebook di essersi sottoposta a un intervento chirurgico per riparare un osso dell’omero del braccio destro gravemente fratturato a causa di una caduta in allenamento. È tornata in Coppa del Mondo nel gennaio 2017 e ha conquistato la sua 77ª vittoria. Alle Olimpiadi invernali del 2018 in Corea del Sud, Vonn si è classificata sesta nel Super-G femminile e ha vinto la medaglia di bronzo nella discesa libera femminile. Ha annunciato il suo ritiro all’inizio della Coppa del Mondo di sci alpino 2018-2019. Il 10 febbraio 2019, Vonn ha vinto una medaglia di bronzo nella discesa libera femminile ai Campionati del Mondo, diventando la donna più anziana a vincere una medaglia a 34 anni a un campionato del mondo. Con questo, si è completamente ritirata dal circuito di gara.