Elle se soldera par un divorce qui fera longtemps les beaux jours des prétoires et des journaux à scandales.

En 1926, de passage à Londres, elle provoque l'admiration du public et du critique musical Reynaldo Hahn, dans une interprétation de Mozart, de Sacha Guitry. En 1927, Sacha et Yvonne partent en tournée à New York, Toronto, et Montréal. Elle parlera plus tard d'une « merveilleuse aventure américaine »... En 1931, Sacha Guitry la fait jouer dans Franz Hals avec, pour partenaire, Pierre Fresnay. Yvonne et Pierre tombent amoureux l'un de l'autre et formeront dès lors un couple inséparable.

En 1934, Yvonne Printemps et Pierre Fresnay, qu'elle n'épousera jamais, entament en nouveau couple d'artistes une tournée en Angleterre et aux États-Unis. Ils jouent notamment Conversation Piece de Noël Coward (elle chante en anglais phonétiquement), qui restera à l'affiche douze semaines à Broadway). Ils joueront aussi O Mistress Mine de Cole Porter.

On les retrouve dans le premier des huit films qu'ils tourneront ensemble, La Dame aux camélias de Fernand Rivers et Abel Gance. On les verra encore dans Les Trois Valses (musiques de Johann Strauss père et fils et d'Oscar Straus, livret de Léopold Marchand et Albert Willemetz d’après Knepler et Robinson), qui eu un succès considérable au théâtre et au cinéma, en 1938, et dans Valse de Paris de Marcel Achard, en 1949).

Le voyage en Amérique sera son dernier film. Elle poursuit sa carrière de chanteuse jusqu'à la fin des années 1950, prenant parallèlement la direction du Théâtre de la Michodière. Son dernière apparition sur la scène de ce théâtre sera pour Hyménée, où elle joue un rôle d'infirme, dans un registre dramatique bien éloigné de celui qui avait fait sa gloire.

Sa voix unique de « vrai rossignol » aura marqué son époque et l'opérette. Archétype de la diva, son mauvais caractère, ses frasques, ses bijoux parmi les plus beaux de l'époque (dont beaucoup de cadeaux de Sacha Guitry), ses chapeaux, ses petits chiens et ses toilettes alimentèrent la chronique. « Je ne suis pas ce que l'on pense... » lui fera chanter Albert Willemetz dans Les Trois Valses...

Entourée d'un nombre incalculable d'amants, Yvonne Printemps vécut jusqu'à la fin avec Pierre Fresnay, qui subissait sans broncher les souffrances et les rebuffades qu'elle lui infligeait, lui qui n'était pas non plus un saint en matière de fidélité.

Décédée à Neuilly-sur-Seine en 1977, elle sera enterrée aux côtés de Pierre Fresnay dans le cimetière de cette commune. En 1994, La Poste édita un timbre à son effigie.