Tijdens Vonn’s tweede Olympische Winterspelen, die in 2006 in Italië werden gehouden, klokte ze de op één na beste tijd in de eerste trainingsrun, maar kwam tijdens de tweede trainingsrun ten val en moest per helikopter naar Turijn worden geëvacueerd, waar ze ’s nachts in het ziekenhuis werd opgenomen. Ondanks blauwe plekken en hevige pijn keerde Vonn 2 dagen later terug naar de piste. Ze eindigde achtste en won de U.S. Olympic Spirit Award voor haar moedige prestatie ondanks de pijn. Op de World Cup 2007 eindigde ze als derde voor de afdaling en super-G wedstrijden. In 2008 won Vonn de algemene wereldbeker titel en werd slechts de tweede Amerikaanse vrouw die dat deed. Ze vestigde een nieuw Amerikaans record voor de meeste World Cup-overwinningen bergaf met tien in Zwitserland op 8 maart van dat jaar. Ze herhaalde haar wereldbekeroverwinningen in 2009 en 2010. In 2010 werd ze uitgeroepen tot sportvrouw van het jaar tijdens de Laureus World Sports Awards. Op de Olympische Winterspelen van Vancouver in 2010 was Vonn van plan om aan alle vijf alpine onderdelen voor vrouwen deel te nemen, maar een ernstig gekneusd scheenbeen als gevolg van een trainingsongeval hield haar tegen. Vonn won echter de gouden medaille in de afdaling en versloeg Julie Mancuso met 0,56 seconden en werd de eerste Amerikaanse vrouw die goud won in de afdaling. In 2011 verloor Vonn de World Cup van Maria Riesch met slechts drie punten.

Geteisterd door ziekte, Vonn’s 2013 seizoen had een moeilijke start toen ze een pauze nam van het World Cup circuit. Nadat blessures haar prestaties in 2014 teisterden, besloot ze ook dat jaar niet deel te nemen aan de World Cup. Aan het einde van dat jaar maakte ze een comeback tijdens de wereldbekerwedstrijd afdaling voor vrouwen in Lake Louise, Alberta door het evenement te winnen. In maart 2015 won ze de wereldbekerwedstrijd afdaling in Meribel, Frankrijk en eiste voor de zevende keer de wereldbeker titel afdaling op. In 2016 kondigde Vonn via Facebook aan dat ze een operatie had ondergaan om een ernstig gebroken opperarmbeen van haar rechterarm te herstellen als gevolg van een trainingscrash. In januari 2017 keerde ze terug in de wereldbeker en veroverde ze haar 77e zege. Op de Olympische Winterspelen van 2018 in Zuid-Korea werd Vonn 6e in de Super-G voor vrouwen en won ze de bronzen medaille in de afdaling voor vrouwen. Ze kondigde haar pensioen aan bij de start van haar 2018-2019 Alpine Ski World Cup. Op 10 februari 2019 won Vonn een bronzen medaille in de afdaling voor vrouwen op de wereldkampioenschappen, waardoor ze de oudste vrouw werd die op 34-jarige leeftijd een medaille won op een wereldkampioenschap. Daarmee trok ze zich volledig terug uit het wedstrijdcircuit.