Nos segundos Jogos Olímpicos de Inverno de Vonn, realizados na Itália, em 2006, ela marcou o segundo melhor tempo na primeira corrida de treino, mas caiu na segunda corrida de treino e teve de ser evacuada de helicóptero para Turim, onde foi hospitalizada durante a noite. Apesar das contusões e dores fortes, Vonn voltou à encosta dois dias depois. Ela competiu e terminou em oitavo lugar e ganhou o Prêmio Espírito Olímpico dos EUA devido ao seu corajoso desempenho através da dor. Na Copa do Mundo de 2007, ela terminou em terceiro lugar nas competições de downhill e super-G. Em 2008, Vonn conquistou o título geral da Copa do Mundo, tornando-se apenas a segunda mulher americana a fazê-lo. Ela estabeleceu um novo recorde americano para o maior número de vitórias na Copa do Mundo em downhill, com dez na Suíça, no dia 8 de março daquele ano. Ela repetiu suas vitórias na Copa do Mundo em 2009 e 2010. Em 2010, ela foi nomeada a Mulher Esportiva do Ano no Prêmio Laureus World Sports Awards. Nos Jogos Olímpicos de Inverno de Vancouver em 2010, Vonn planejava competir nos cinco eventos alpinos femininos, no entanto, uma canela gravemente machucada devido a um acidente de treinamento a impediu de participar. No entanto, Vonn ganhou a medalha de ouro em downhill, vencendo a rival de longa data Julie Mancuso b 0,56 segundos e tornando-se a primeira mulher americana a ganhar o ouro em downhill. Em 2011, Vonn perdeu a Copa do Mundo para Maria Riesch por apenas três pontos.

Slowed by illness, a temporada 2013 de Vonn teve um início difícil, pois ela fez uma pausa do circuito da Copa do Mundo. Depois de lesões que a atormentaram em 2014, ela também decidiu não competir na Copa do Mundo daquele ano. Ela voltou no final daquele ano na corrida de descida da Copa do Mundo Feminina no Lago Louise, em Alberta, ao vencer o evento. Em março de 2015, ela venceu a prova de descida da Copa do Mundo em Meribel, na França, e conquistou o título da Copa do Mundo de descida pela sétima vez. Em 2016, Vonn anunciou via Facebook que tinha sido submetida a uma cirurgia para reparar uma fractura grave do osso do úmero do braço direito devido a um acidente de treino. Ela voltou à Copa do Mundo em janeiro de 2017 e conquistou a sua 77ª vitória. Nos Jogos Olímpicos de Inverno de 2018 na Coreia do Sul, Vonn empatou em 6º no Super-G Feminino e conquistou a medalha de bronze na descida feminina. Ela anunciou sua aposentadoria no início da Copa do Mundo de Esqui Alpino 2018-2019. Em 10 de fevereiro de 2019, Vonn ganhou uma medalha de bronze em downhill feminino no Campeonato Mundial, tornando-a a mulher mais velha a ganhar uma medalha aos 34 anos de idade em um campeonato mundial. Com isso, ela se aposentou totalmente do circuito de corrida.