Hun deltog i sit eneste vinter-OL i [[Vinter-OL 2010|2010]] i Vancouver, hvor hun stillede op i fire discipliner. I 7,5 km sprint havde hun et enkelt fejlskud, men var med tiden 19.57,1 minutter hurtig nok til at sikre sig sølvmedaljen, blot halvandet sekund efter vinderen, [[Anastasia Kuzmina]] fra Slovakiet, mens franske [[Marie Dorin]] var næsten ti sekunder efter Neuner på tredjepladsen.<ref>{{kilde | url = http://www.olympedia.org/results/923490 | titel = 7.5 kilometres Sprint, Women | udgiver = olympedia.org | hentet = {{dato|11-5-2022}} }}</ref> Et par dage efter var hun med i jagtstarten, og med andenpladsen fra sprintløbet var hun fra start lige i hælene på Kuzmina, som hun hurtigt overhalede, og hun holdt helt til mål, hvor hun med tiden 30.14,0 minutter sikrede sig guldet. Kuzmina fik sølv og franske Marie-Laure Brunet bronze.<ref>{{kilde | url = http://www.olympedia.org/results/923492 | titel = 10 kilometres Pursuit, Women | udgiver = olympedia.org | hentet = {{dato|11-5-2022}} }}</ref> I 15 km løbet var Neuner den hurtigste på skiene, men tre fejlskud betød, at hun måtte nøjes med en tiendeplads.<ref>{{kilde | url = http://www.olympedia.org/results/923491 | titel = 15 kilometres, Women | udgiver = olympedia.org | hentet = {{dato|11-5-2022}} }}</ref> Endelig deltog hun i 12,5 km massestart, og her havde hun to fejlskud undervejs, hvilket betød, at hun måtte slide på skiene, men det gjorde hun godt, så hun vandt i tiden 39.19,6 minutter, mens russeren [[Olga Sajtseva]] blev nummer to, mere end fem sekunder efter, og tyske [[Simone Hauswald]] fik bronze.<ref>{{kilde | url = http://www.olympedia.org/results/923495 | titel = 12.5 kilometres Mass Start, Women | udgiver = olympedia.org | hentet = {{dato|11-5-2022}} }}</ref>
Levende_personer