Trong đêm chung kết cuộc thi Hoa hậu Hoàn vũ 2008 vào ngày 14 tháng 7 năm 2008, cô đã xuất sắc vượt qua 79 thí sinh khác và giành vương miện Hoa hậu Hoàn vũ. Bên cạnh đó, cô còn đoạt giải phụ Thí sinh mặc áo dài đẹp nhất và lọt vào top 10 phần thi trang phục truyền thống. Với chiến thắng này, Dayana Mendoza đã trở thành người phụ nữ thứ năm của Venezuela đoạt ngôi vị Hoa hậu Hoàn vũ.

Trước khi đêm chung kết diễn ra, Dayana cũng được đánh giá là một trong những ứng cử viên nặng ký nhất cho chiếc vương miện hoa hậu hoàn vũ.Trong những tuần đầu, Dayana luôn đứng đầu bảng xếp hạng ở trang web, Dayana được đánh giá là có một thân hình quyến rũ nóng bỏng, số đo 3 vòng chuẩn xác của một hoa hậu: 85-58-89.Với chiều cao nổi bật (1m78),Dayana thật sự xứng đáng là một trong số những hoa hậu hoàn vũ đẹp nhất (tại một bảng xếp hạng, cô đứng thứ 3 sau Oxana 2002 và Jennifer Hawkins 2004). Cô đã đáp lại đúng với những gì 2 MC nói "người cuối cùng trong danh sách không phải là người kém cỏi nhất".Trong cả hai phần thi áo tắm và dạ hội Dayana đều xếp nhì với những số điểm hoàn hảo là áo tắm (9.327 điểm) và dạ hội (9.697 điểm).Thật không bất ngờ gì khi Dayana đăng quang danh hiệu này.

Trong nhiệm kỳ của mình, Dayana Mendoza đã chuyển đến sống tại New York với phần thưởng gồm vương miện, một căn hộ tuyệt đẹp với quyền sử dụng các nhãn hiệu thời trang nổi tiếng miễn phí trong vòng một năm. Cô cũng đã đi nhiều nơi trên thế giới để tham gia các hoạt động từ thiện và tuyên truyền ngăn chặn đại dịch HIV/AIDS. Bên cạnh đó, cô còn nhận được một học bổng trị giá 100.000 USD cho hai năm theo học Học viện Điện ảnh New York.