31 października Pennetta oraz Dulko wygrały turniej WTA Tour Championships, w meczu finałowym pokonując Květe Peschke i Katarine Srebotnik 7:5, 6:4.
7 listopada zwyciężyła wraz z reprezentacją Włoch w turnieju drużynowym Fed Cup.
2011 4 września po raz trzeci w karierze awansowała do ćwierćfinału turnieju wielkoszlemowego US Open, eliminując w czwartej rundzie Peng Shuai 6-4, 7-66. Pennetta borykała się w końcówce meczu z problemami zdrowotnymi, w decydującym secie przegrywając w tie-breaku 0:5, zdołała odrobić straty i zwyciężyć 8:6. W turnieju tym przegrała w ćwierćfinale z Niemką Angelique Kerber 4-6, 6-3,3-6.
2012 Po turnieju w Montrealu w sierpniu wycofała się z dalszych rozgrywek do końca sezonu z powodu kontuzji nadgarstka. W sezonie osiągnęła pierwszą rundę Australian Open oraz Wimbledonu, a także trzecią rundę French Open. Rok zakończyła na 45. miejscu w rankingu singlowym i 30. pozycji w rankingu deblowym.