Bereits im Nachwuchsbereich sorgte Dahlmeier für Aufsehen. Nach zahlreichen nationalen Erfolgen gewann sie bei der Junioren-Weltmeisterschaft 2013 drei Titel und eine Silbermedaille und wurde daraufhin erstmals für die Weltmeisterschaften der Elite nominiert. Noch im selben Jahr etablierte sie sich im Weltcup, feierte mit der deutschen Staffel ihren ersten Weltcupsieg und wurde als Deutschlands Juniorsportlerin des Jahres ausgezeichnet. 

Der internationale Durchbruch gelang ihr in der Saison 2014/15. Nach ihrem ersten Weltcupsieg im Sprint in Nove Mesto gewann sie bei den Weltmeisterschaften 2015 in Kontiolahti Silber in der Verfolgung sowie Gold mit der Staffel. Bei der WM 2016 in Oslo folgten fünf weitere Medaillen, ehe sie im Winter 2016/17 zur dominierenden Athletin des Biathlonsports wurde. Mit zehn Weltcupsiegen sicherte sie sich den Gesamtweltcup und gewann bei den Weltmeisterschaften in Hochfilzen fünfmal Gold und eine Silbermedaille.

Den Höhepunkt ihrer sportlichen Laufbahn erreichte Dahlmeier bei den Olympischen Winterspielen 2018 in Pyeongchang. Als erste Biathletin überhaupt gewann sie dort Gold sowohl im Sprint als auch in der Verfolgung. Hinzu kam die Bronzemedaille im Einzel. Trotz weiterer Erfolge entschied sie sich bereits 2019 im Alter von nur 25 Jahren für das Ende ihrer Karriere. Als Grund nannte sie die nachlassende Leidenschaft für den Leistungssport und den Wunsch, neue Wege zu gehen.

Nach ihrem Rücktritt widmete sich Dahlmeier ihrer zweiten großen Leidenschaft: den Bergen. Sie absolvierte die Ausbildung zur staatlich geprüften Berg- und Skiführerin, engagierte sich ehrenamtlich bei der Bergwacht Garmisch-Partenkirchen, arbeitete als TV-Expertin und setzte sich für Natur- und Umweltschutz ein. Als Alpinistin, Trailrunnerin und Expeditionsleiterin erarbeitete sie sich auch abseits des Biathlons hohes Ansehen. Im Sommer 2025 verunglückte sie bei einer Bergtour am Laila Peak im pakistanischen Karakorum tödlich. Ihr früher Tod löste weit über die Grenzen des Sports hinaus große Bestürzung aus.