Elle débute en biathlon à neuf ans et remporte entre 2004 et 2006 cinq titres individuels de championne du monde junior. Neuner fait ses débuts en coupe du monde lors de la saison 2006 et remporte sa première épreuve en janvier 2007. Un mois plus tard, elle décroche trois médailles d'or lors des championnats du monde pour sa première participation.
Lors de la saison 2007-08, elle devient à 21 ans la plus jeune vainqueur du classement général la coupe du monde. Aux mondiaux 2008, elle remporte trois nouveaux titres de championne du monde, devenant la plus jeune biathlète à décrocher six titres mondiaux.
Double championne olympique aux Jeux de Vancouver en 2010, Neuner totalise durant ses participations aux championnats du monde douze titres dont six en relais en seulement sept ans de circuit international.
Sa carrière sportive s'est étendue de 1995 à 2007 au niveau international. Figurent à son palmarès trois médailles olympiques, l'argent lors de la poursuite des jeux olympiques de Salt Lake City] et deux de bronze avec le relais français en 2002 et 2006 ainsi que dix-huit médailles mondiales, dont huit titres de champion du monde.
Principal adversaire de Ole Einar Björndalen, il remporte à quatre reprises le classement général de la Coupe du monde et totalise quarante-quatre victoires pour un total de cent-treize podiums lors des épreuves individuelles.
Lors des Jeux olympiques de Turin en 2006, il ne réalise pas son objectif d'obtenir le seul titre qui manque à son palmarès : le titre olympique. Il échoue dans les épreuves individuelles, le tir en étant la principale cause. Toutefois, il se reprend pour l'épreuve par équipe et réalise lors du dernier relai une fantastique remontée sur le concurrent suédois qu'il bat de quelques centimètres pour obtenir la médaille de bronze.
Sa victoire olympique intervient un an après sa victoire en Coupe du monde sur la même piste. Ne partant pas comme un favori et considéré comme le quatrième homme de l'équipe de France derrière Vincent Defrasne, Simon et Martin Fourcade, il crée la surprise en apportant la première médaille d'or à la France lors de ces Jeux olympiques. Il confirme sur l'épreuve de la poursuite en remportant la médaille de bronze deux jours plus tard. Cet évènement lui permet alors d'accéder à une notoriété médiatique à laquelle il n'était pas préparé. Après deux saisons en demi-teinte, il annonce sa retraite sportive en raison de résultats loin de ses espérances début décembre 2012.
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