Kariéra seniorky
Prvýkrát štartovala na súťaži organizovanej Medzinárodnou lyžiarskou federáciou v novembri 2010, keď sa ako pätnásťročná zúčastnila súťaže obrovského slalomu v nórskom Geilo a umiestnila sa na 33. mieste zo 124. Na Európskom pohári sa prvýkrát zúčastnila v marci 2011 v Jasnej, kde v slalome obsadila 26. miesto. 29. decembra 2012 mala debut na Svetovom pohári v Semmeringu, kde obsadila 11. miesto v slalome. Na majstrovstvách sveta sa prvýkrát predstavila v slalomovej súťaži februárového Svetového šampionátu 2013 v Schladmingu, na ktorom nedokončila kvôli pádu prvé kolo. Slovensko na olympijských hrách prvýkrát reprezentovala na 22. zimných olympijských hrách v Soči v roku 2014, kde sa v slalome umiestnila na 19. mieste.
Na Svetovom pohári v alpskom lyžovaní debutovala v sezóne 2012/2013. V rakúskom Semmeringu skončila v slalome tesne za elitnou desiatkou na 11. mieste. Prvé víťazstvo na svetovom pohári získala o 3 roky neskôr v sezóne 2015/2016, kedy ako 20-ročná vyhrala slalom v švédskom Are. Na čele preteku figurovala už po prvom kole. V druhom kole navýšila náskok pred Švédkou Fridou Hansdotterovou, vedúcou pretekárkou celkového poradia, na 59 stotín sekundy. Po Jane Gantnerovej a Veronike Zuzulovej sa stala treťou slovenskou víťazkou preteku Svetového pohára. Išlo o jej premiérové pódiové umiestnenie a druhé umiestnenie v elitnej desiatke svetového pohára, po siedmom mieste v slalome v Aspene, ktorý sa konal o dva týždne skôr.
Do druhého kola obrovského slalomu prvýkrát postúpila v januári 2016 vo Flachau, kde skončila na 14. mieste. V januári 2017 sa prvýkrát v histórii Svetového pohára stalo, že stupne víťazov obsadili iba pretekárky z Česka a Slovenska. Petra Vlhová došla v záhrebskom slalome druhá, na 1. mieste skončila Veronika Velez-Zuzulová a tretiu priečku ovládla Šárka Strachová. V marci toho istého roku Vlhová získala druhý kariérny triumf v slalome v Aspene, keď cieľovou bránou prešla o 24 stotín sekundy rýchlejšie ako celková šampiónka sezóny Mikaela Shiffrinová. Na premiérovom štarte v alpskej kombinácii vo švajčiarskej Crans-Montane na začiatku marca 2018 obsadila tretie miesto, keď o 9 stotín sekundy zaostala za víťaznou Federicou Brignoneovou.
14. februára 2017 v tímovej súťaži vo švajčiarskom St. Moritz v družstve s Veronikou Velez-Zuzulovou, Andreasom Žampom a Matejom Falatom získala striebornú medailu.