Największe sukcesy osiągnęła na igrzyskach olimpijskich w Innsbrucku w 1976 roku, gdzie w trzech startach zdobyła trzy medale. Najpierw zwyciężyła w zjeździe, wyprzedzając bezpośrednio Austriaczkę Brigitte Totschnig oraz Cindy Nelson z USA. Następnie była druga w gigancie, rozdzielając na podium Kanadyjkę Kathy Kreiner i Francuzkę Daniele Debernard. Do zwycięstwa w tych zawodach Niemce zabrakło 0,12 sekundy. Następnie wystartowała w slalomie, w którym po pierwszym przejeździe zajmowała drugie miejsce, tracąc do prowadzącej rodaczki, Pameli Behr 0,09 sekundy. W drugim przejeździe uzyskała najlepszy wynik, co dało jej złoty medal, przed Włoszką Claudią Giordani i Hanni Wenzel. Igrzyska w Innsbrucku były także mistrzostwami świata, jednak kombinację rozegrano tylko w ramach drugiej z tych imprez. W konkurencji tej Mittermaier także była najlepsza, wyprzedzając Danièle Debernard i Hanni Wenzel. Po zakończeniu sezonu 1975/1976 zakończyła karierę.