I Vonns andra olympiska vinterspel, som hölls i Italien 2006, tog hon den näst bästa tiden i det första träningspasset, men kraschade i det andra träningspasset och var tvungen att evakueras med helikopter till Turin, där hon låg på sjukhus över natten. Trots blåmärken och svåra smärtor återvände Vonn till backen två dagar senare. Hon tävlade och slutade åttonde och vann U.S. Olympic Spirit Award på grund av sin modiga prestation trots smärta. Vid världscupen 2007 slutade hon trea i tävlingarna i utförsåkning och super-G. År 2008 vann Vonn den totala världscuptiteln och blev därmed bara den andra amerikanska kvinnan att göra det. Hon satte ett nytt amerikanskt rekord för flest världscupsegrar i utförsåkning med tio segrar i Schweiz den 8 mars samma år. Hon upprepade sina totala världscupsegrar 2009 och 2010. År 2010 utsågs hon till årets idrottskvinna vid Laureus World Sports Awards. Vid de olympiska vinterspelen i Vancouver 2010 planerade Vonn att tävla i alla fem alpina damtävlingar, men ett allvarligt blåslaget skenben från en träningsolycka höll henne tillbaka. Vonn fortsatte dock att vinna guld i utförsåkning och slog sin mångåriga rival Julie Mancuso med 0,56 sekunder och blev den första amerikanska kvinnan att vinna guld i utförsåkning. År 2011 förlorade Vonn den totala världscupen mot Maria Riesch med bara tre poäng.

Sjukdomsdrabbad fick Vonns säsong 2013 en tuff start då hon tog en paus från världscupen. Efter att skador plågade hennes prestationer 2014 bestämde hon sig för att inte tävla i världscupen det året heller. Hon gjorde dock comeback i slutet av det året i damernas världscuplopp i utförsåkning i Lake Louise, Alberta genom att vinna tävlingen. I mars 2015 vann hon världscupen i utförsåkning i Meribel i Frankrike och tog hem världscupen i utförsåkning för sjunde gången. År 2016 meddelade Vonn via Facebook att hon hade genomgått en operation för att reparera en allvarlig fraktur på överarmsbenet i höger arm till följd av en träningsolycka. Hon återvände till världscupen i januari 2017 och tog sin 77:e seger. Vid de olympiska vinterspelen 2018 i Sydkorea kom Vonn på delad sjätte plats i damernas Super-G och vann bronsmedaljen i damernas utförsåkning. Hon meddelade sin pensionering i början av världscupen i alpin skidåkning 2018-2019. Den 10 februari 2019 vann Vonn en bronsmedalj i damernas utförsåkning vid världsmästerskapen, vilket gjorde henne till den äldsta kvinnan att vinna en medalj vid 34 års ålder vid ett världsmästerskap. I och med detta drog hon sig helt tillbaka från tävlingskretsen.