230px|thumb|left|Northug podczas Tour de Ski 2009/2010 Northug wystąpił tylko w dwudziestu z trzydziestu zawodów Pucharu Świata w sezonie 2009/2010. Jednakże w tych startach tylko dwukrotnie nie znalazł się w czołowej dziesiątce, a ośmiokrotnie stawał na podium. Wygrał bieg na 15 km klasykiem 29 listopada w Ruce, sprint i bieg na 30 km stylem klasycznym 19 i 20 grudnia w Rogli, bieg na 50 km techniką dowolną w Oslo oraz Finał Pucharu Świata Sztokholmie i Falun w dniach 17-20 marca 2010 roku. Ponadto zajął drugie miejsce 13 grudnia w Davos w sprincie stylem dowolnym, sprincie klasykiem w Drammen 11 marca, a także zajął drugie miejsce w klasyfikacji końcowej czwartej edycji TDS. Punktował w siedmiu z ośmiu etapów Tour de Ski, trzykrotnie zwyciężając, dwukrotnie zajmując drugie miejsce i raz trzecie. Ostatecznie wyprzedził go tylko Lukáš Bauer, a trzecie miejsce zajął Dario Cologna. Wyniki te pozwoliły mu zdobyć Kryształową Kulę za zwycięstwo w klasyfikacji generalnej Pucharu Świata, a także Małą Kryształową Kulę za triumf w klasyfikacji dystansowej, w obu przypadkach wyprzedzając Bauera i Marcusa Hellnera ze Szwecji. W klasyfikacji sprinterskiej był drugi za Szwedem Emilem Jönssonem, a przed Aleksiejem Pietuchowem z Rosji. W lutym 2010 roku brał udział w igrzyskach olimpijskich w Vancouver, gdzie zdobył cztery medale.