Z Igrzysk w Turynie w 2006 roku wrócił z trzema medalami, jednak w żadnej konkurencji nie zwyciężył. Wywalczył srebro w biegu pościgowym za Francuzem Vincentem Defrasne’em i biegu indywidualnym, ulegając Niemcowi Michaelowi Greisowi. Zdobył też brąz w biegu masowym, plasując się za Greisem i Polakiem Tomaszem Sikorą. Na igrzyskach olimpijskich w Vancouver cztery lata później został wicemistrzem w biegu indywidualnym, rozdzielając rodaka Emila Hegle Svendsena i Siarhieja Nowikaua z Białorusi. Ponadto drużyna Norwegii w składzie: Halvard Hanevold, Tarjei Bø, Emil Hegle Svendsen i Ole Einar Bjørndalen po 8 latach przerwy odzyskała tytuł mistrzów olimpijskich w sztafecie. Brał też udział w igrzyskach w Soczi w 2014 roku, gdzie w wieku 40 lat wywalczył złoty medal w sprincie, wyprzedzając Austriaka Dominika Landertingera i Czecha Jaroslava Soukupa. Ostatni medal olimpijski wywalczył w sztafecie mieszanej, zwyciężając razem z Torą Berger, Tiril Eckhoff i Emilem Hegle Svendsenem. W sztafecie zajął wraz z Tarjei Bø, Johannesem Thingnesem Bø i Emilem Hegle Svendsenem pierowtnie zajął 4. miejsce, ale w 2025 po dyskwalifikacji sztafety rosyjskiej został im przyznany brązowy medal. thumb|left|220px|Ole Einar Bjørndalen na zawodach Pucharu Świata w Trondheim w 2009 Zdobył też 45 medali mistrzostw świata, w tym 20 złotych.