Den 34-årige avslutade den gungande 2,4-mils simturen, 112-mils cykelturen och 26,2-mils löpning på nio timmar, 15 minuter och 54 sekunder.
Hon var strax utanför Schweiz Caroline Steffen.
Det var Caves andra världstitel året efter segern i halv Ironman VM förra månaden.
"Jag är typ av mållös", sade Cave, som slutade tredje bakom andra Briton Chrissie Wellington och Australian Mirinda Carfrae 2011.
"Jag hoppas bara att de inte kommer ut med ett annat avstånd. Jag börjar bli för gammal för det här."
Storbritanniens Rachel Joyce slutade 11th i 9:40:16, medan dubbla olympiska medaljören Rebecca Romero, som tog upp Ironman efter att ha gått i pension från cykling, kom hem i 11:39:08.
Grottan var alltid i strid på framsidan av fältet, lämnar badet i fjärde och cykeln i tredje, sedan dra sig ur australiensisk rival Carfrae på run innan översyn Steffen.
Australiens Pete Jacobs vann herrevenemanget, slog Tysklands Andreas Raelert med mer än fyra minuter.
Storbritanniens Leanda Cave drog sig undan i de sista tre kilometerna av loppet för att vinna Ironman World Championship på Hawaii.