Tony Martin, de 26 años, acabó por delante del británico Bradley Wiggins con una ventaja de 1 minuto y 15 segundos, y el vigente campeón, el suizo Fabian Cancellara, cuatro veces ganador de la contrarreloj, 1 minuto y 20 segundos más retrasado.
El alemán corrió a una velocidad media de 51 kilómetros bajo un cielo gris en la capital danesa.
Martin dominó la temporada en esta especialidad, tanto en el Tour de Francia como en la Vuelta a España.
El corredor del equipo HTC, que correrá la próxima temporada por la formación belga Quick Step, consiguió nueve triunfos en 2011, de los cuales siete fueron en las contrarreloj.
Martin llegó a imponerse en su cuarta participación, tras la séptima en Varese (Italia) en 2008, y tercero en Medrisio (Suiza) en 2009 y en Geelong (Australia) en 2010.
Cancellara perdía 18 segundos ante Martin en el primer tramo del circuito de 23,2 kilómetros.
El helvético solamente cedió más tiempo al final del trayecto al salir de una curva en la que casi choca contra una barrera.
El alemán Bert Grabsch se conformó con la cuarta posición por delante de los australianos Jack Bobridge y Richie Porte.
Martin logró el segundo título para la delegación alemana, al día siguiente de la victoria de la Judith Arndt en la contrarreloj femenina.
Clasificación de la contrarreloj del Mundial de ciclismo
1. Tony Martin (GER), los 46,4 km en 53:43.
(media: 51,813 km/h)
2. Bradley Wiggins (GBR) a 1:15.
3. Fabian Cancellara (SUI) 1:20.
4. Bert Grabsch (GER) 1:31.
5. Jack Bobridge (AUS) 2:13.
6. Richie Porte (AUS) 2:29.
7. David Millar (GBR) 2:45.
8. Lieuwe Westra (NED) 3:18.
9. Alexandr Dyachenko (KAZ) 3:19.
10. Jakob Fuglsang (DEN) 3:30.
11. Jonathan Castroviejo (ESP) 3:34.
12. Gustav Larsson (SWE) 3:34.
13. Svein Tuft (CAN) 3:35.
14. Janez Brajkovic (SLO) 3:44.
15. Taylor Phinney (USA) 3:52.
16. Andrew Talansky (USA) 3:57.
17. Nelson Oliveira (POR) 4:14.
18. Jesse Sergent (NZL) 4:26.
19. Jack Bauer (NZL) 4:26.
20. Stef Clement (NED) 4:33.
