Wystartowała na igrzyskach olimpijskich w Salt Lake City w 2002, zajmując 6. miejsce w kombinacji i 32. w slalomie. Na igrzyskach olimpijskich w Turynie w 2006 była siódma w supergigancie, ósma w zjeździe i czternasta w slalomie Pierwszy medal olimpijski zdobyła podczas igrzysk w Vancouver w 2010, gdzie zwyciężła w zjeździe, wyprzedzając rodaczkę, Julię Mancuso i Elisabeth Görgl. Trzy dni później wywalczyła brązowy medal w supergigancie, ulegajac tylko Austriaczce Andrei Fischbacher i Tinie Maze.
5 lutego 2013 roku wskutek upadku na trasie supergiganta podczas mistrzostwa świata w Schladming doznała zerwania więzadła krzyżowego przedniego i bocznego oraz pęknięcia główki kości piszczelowejOnet.pl: Alpejskie MŚ: Vonn czeka operacja kolana w przyszłym tygodniu w USA. Kontuzja wykluczyła ją ze startów do końca sezonu 2012/2013 i z występu na ZIO w Soczi w 2014. Wzięła za to udział w igrzyskach olimpijskich w Pjongczangu w 2018 roku, gdzie zdobyła brązowy medal olimpijski w zjeździe. Wyprzedziły ją tylko Włoszka Sofia Goggia i Ragnhild Mowinckel z Norwegii. Na tych samych igrzyskach była szósta w supergigancie. W lutym 2019 ogłosiła zakończenie kariery sportowej.