Jej debiut na Zimowych Igrzyskach Olimpijskich 2010 w Vancouver był najbardziej udanymi zawodami w jej karierze. Za program krótki otrzymała 78.50 pkt, co było nowym rekordem świata, była najlepsza zarówno pod względem elementów technicznych jak i komponentów, dało jej to 4.72 pkt przewagi nad drugą Japonką Asadą. W programie dowolnym wykonała bezbłędnie sekwencję skoków potrójnych i podwójnych, otrzymując przy tym poziom czwarty również za obroty i spirale. Zarówno jej wynik za elementy techniczne (78.30 pkt) jak i prezentację (71.76 pkt) były najwyższe tego dnia. Ustanowiła kolejny nowy rekord świata za program dowolny 150.06 pkt oraz w nocie łącznej 228.56 pkt, zostając pierwszą solistką, która złamała barierę 220 pkt. 25 lutego 2010 r. została mistrzynią olimpijską, przy czym był to pierwszy medal olimpijski Korei Południowej w łyżwiarstwie figurowym. Została przy tym pierwszą złotą medalistką olimpijską na zimowych igrzyskach olimpijskich z Korei Południowej w sporcie innym niż łyżwiarstwo szybkie i short track. Zawody olimpijskie były pierwszymi w których obowiązywał Nowym Systemem Sędziowania ISU dlatego rekordy świata Kim Yuny zostały jednocześnie wpisane do Księgi rekordów Guinnessa.