Empezó a practicar el esquí con tres años. A los doce años se mudó con su familia a Vail (Colorado), donde tuvo mejores condiciones para entrenar.^[3]​ En 1999 disputó su primera carrera del circuito de la FIS.^[4]​

Participó en cuatro Juegos Olímpicos de Invierno, entre los años 2002 y 2018, obteniendo en total tres medallas, dos en Vancouver 2010, oro en el descenso y bronce en el supergigante, y una de bronce en Pyeongchang 2018, en la prueba de descenso. Además, fue sexta en Salt Lake City 2002 (combinada) y séptima en Turín 2006 (supergigante).^[1]​ Una lesión de rodilla le impidió disputar los Juegos de Sochi 2014.^[1]​

Ganó ocho medallas en el Campeonato Mundial de Esquí Alpino entre los años 2007 y 2019.^[5]​^[6]​ En la Copa del Mundo consiguió 82 victorias y 138 podios en total.^[6]​ Ganó la clasificación general de la Copa del Mundo en cuatro ocasiones: 2008, 2009, 2010 y 2012.^[6]​

Se retiró de la competición en 2019, después de ganar su novena medalla en el Campeonato Mundial.^[5]​

Fue galardonada con el premio Skieur d’Or (2009),^[7]​ el Premio Laureus a la Mejor Deportista Femenina del Año (2011)^[8]​ y el Premio Príncipe de Asturias de los Deportes (2019).^[9]​ En 2019 recibió el Premio Laureus Spirit of Sport en reconocimiento a toda su carrera, y en 2021 fue aceptada como miembro de la Academia Laureus.^[10]​ En su país fue nombrada «Deportista femenina del año» por el Comité Olímpico Estadounidense en 2009 y 2010^[11]​ y recibió el Beck International Award de U.S. Ski & Snowboard en 2012.^[12]​

Durante las temporadas de competición, solía residir en Austria, por lo que habla fluidamente el alemán.^[13]​ Tiene una compañía de producción, y lanzó la iniciativa Lindsey Vonn Foundation para apoyar a niñas de comunidades marginadas.^[3]​

En 2022 el New York Times publicó sus memorias Rise: My Story, que llegó a ser un superventas.^[3]​

Estuvo casada con el esquiador Thomas Vonn entre 2007 y 2013.^[14]​ Posteriormente, mantuvo relaciones sentimentales con el golfista Tiger Woods (2013-2015)^[15]​ y con el jugador de hockey P. K. Subban (2018-2020).^[16]​