W sprincie klasykiem był trzeci, przegrywając tylko z dwoma Rosjanami: Nikitą Kriukowem i Aleksandrem Panżynskim. Na tych samych igrzyskach był najlepszy w biegu na 50 km stylem klasycznym, a razem z Martinem Johnsrudem Sundbym, Odd-Bjørnem Hjelmesetem i Larsem Bergerem wywalczył srebrny medal w sztafecie. Medal w drużynie Norwegowie zdobyli po tym jak Northug, biegnący na ostatniej zmianie, wyprowadził ich sztafetę z piątego na drugie miejsce, wyprzedzając trzeciego na mecie Czecha Martina Koukala o zaledwie 0,6 sekundy. W pozostałych startach zajął 11. miejsce w biegu łączonym i 41. w biegu na 15 km techniką dowolną.
thumb|230px|left|Northug na trasie biegu na 50 km podczas MŚ 2011 Najważniejszym punktem sezonu 2010/2011 były mistrzostwa świata w Oslo, gdzie Northug zdobył pięć medali. Pierwszą konkurencją był sprint stylem dowolnym, w którym zajął drugie miejsce, ulegając Hellnerowi o 0,6 sekundy i wyprzedzając Jönssona o kolejne pół sekundy. Następnie zwyciężył w biegu łączonym na 30 km, wyprzedzając Rosjan Maksima Wylegżanina i Ilję Czernousowa, a razem z Olą Vigenem Hattestadem był drugi w sprincie drużynowym techniką klasyczną.