2004年2月,进入中国国家乒乓球队二队。7月,参加在印度举行的乒乓球亚洲少年赛,获得女子团体冠军和女双冠军。10月,参加在葡萄牙举行的世界少年乒乓球挑战赛,获得女单冠军。11月,出战在日本神户举行的世界青年乒乓球锦标赛,获得女双冠军、混双冠军、女子团体冠军和女单亚军。
2005年,进入中国国家乒乓球队一队。9月1日,在第17届亚洲乒乓球锦标赛女双决赛中,获得冠军。
2007年11月,全国乒乓球锦标赛,女单项目中,第一次获得全国锦标赛女子单打冠军。
2009年10月,参加2009年女子乒乓球世界杯,女单项目中,加冕个人首个世界冠军。女团项目中,获得冠军。
2010年1月,首次登上世界第一宝座。1月,参加国际乒联巡回赛总决赛,女双项目中,获得冠军。3月,在乒乓球亚洲杯女单决赛中,首次获得亚洲杯女单冠军。在世界杯团体赛中,帮助中国队获得女团冠军。11月,参加2010年广州亚运会,女团项目中,随中国队获得女团冠军。
2011年11月,在国际乒联职业巡回赛总决赛女单决赛中,获得冠军。
2012年2月,参加亚洲乒乓球锦标赛,女团决赛中,获得冠军。4月,参加第25届亚洲杯乒乓球赛,女单决赛中夺得冠军。同月,跟随中国队获得世界乒乓球团体锦标赛女团冠军。9月,在女子乒乓球世界杯女单决赛中,获单打冠军。12月,在国际乒联职业巡回赛总决赛女单决赛中,成功卫冕。
2013年1月,在2012年中国乒乓球超级联赛女子团体决赛中,获得冠军。这也是夺得的首个乒超冠军。4月,在2013年乒乓球亚洲杯女单决赛中,成为首位三次获得亚洲杯女单冠军的运动员。7月,在2013年亚洲乒乓球锦标赛女团决赛中,获得冠军。出战亚洲乒乓球锦标赛女单决赛,获得冠军。9月,参加2013年女子乒乓球世界杯,女单决赛中,个人第三次获得女乒世界杯冠军。
2014年1月,在国际乒联巡回赛总决赛女单决赛中,成为首位获得国际乒联巡回赛总决赛女单三连冠的选手。5月,在2014年世界乒乓球团体赛女团决赛中,帮助中国队获得冠军。9月,参加2014年仁川亚运会,乒乓球女团决赛中,获得冠军。女单决赛中,获得冠军。
2015年5月,参加世界乒乓球锦标赛,女双决赛中,获得冠军。11月,参加女子乒乓球世界杯女单决赛,追平王楠、张怡宁世界杯单打冠军的纪录。
2016年,在世界乒乓球团体赛女团决赛中,获得冠军。4月,出战乒乓球亚洲杯女单决赛,赢得冠军。8月,在2016年里约奥运会乒乓球女团决赛中,获得冠军。
2017年6月,在杜塞尔多夫世乒赛中,夺得女双冠军。女双决赛中,获得女双冠军。
2018年,获得2018年乒乓球世界杯女团冠军。
2019年4月,世乒赛混双决赛,夺得冠军。出战世乒赛女单决赛,首度问鼎世乒赛女单冠军。9月,出战亚洲锦标赛女团决赛、混双决赛,夺得冠军。10月,在国际乒联女乒世界杯决赛中,第五次获得世界杯冠军,成为女乒世界杯历史上第一位“五冠王”。乒乓球团体世界杯女团决赛中,获得冠军,中国女队获得九连冠。12月,参加国际乒联总决赛,获得混双冠军。
2021年7月,东京奥运会乒乓球混双决赛中,获得亚军。
2023年8月29日,正式退役。
2021年,东京奥运会乒乓球混双亚军。
2016年,里约奥运会乒乓球女团冠军。
2019年,女子单打冠军、混合双打冠军。
2018年,女团冠军。
2017年,女子双打冠军。
2016年,女团冠军。
2015年,女子单打亚军、女子双打冠军。
2014年,女团冠军。
2013年,女子单打亚军、女子双打亚军。
2012年,女团冠军。
2010年,女团亚军。
2019年,女子单打冠军、女团冠军。
2018年,女团冠军。
2017年,女子单打亚军。
2015年,女子单打冠军、女团冠军。
2013年,女子单打冠军、女团冠军。
2012年,女子单打冠军。
2010年,女团冠军。
2009年,女子单打冠军、女团冠军。
2014年,仁川亚运会女单冠军、女双亚军、女团冠军。
2010年,广州亚运会女双亚军、女团冠军。
2019年,第24届混双冠军、女团冠军。
2017年,第23届女团冠军。
2015年,第22届女团冠军。
2013年,第21届女单冠军、女团冠军。
2012年,第20届女团冠军。
2009年,第19届女团冠军。
2016年,乒乓球亚洲杯女单冠军。
2013年,乒乓球亚洲杯女单冠军。
2012年,乒乓球亚洲杯女单冠军。
2010年,乒乓球亚洲杯女单冠军。
混双决赛没有拿冠军,有点遗憾,但是我觉得她这种精神对球队有巨大的帮助,是一种传承。10个月前她做了手术,女孩子都爱美,那么大一个疤,她一直咬着牙走到东京。她来了她也拼了,也努力了,能够把国乒女将的精神传承给孙颖莎、王曼昱和陈梦,我觉得这是她真正的价值,要远远高于一块奥运金牌。(中国乒协主席刘国梁 评)
刘诗雯能够充分发挥了技术,表现出女子打法男性化的效果。希望刘诗雯能在以后的比赛更好地成长,争取成为像张怡宁那样的领军人物。(中国女乒主教练施之皓 评)
刘诗雯是世界女子乒乓球运动员中爆发力是最好的,包括她的手腕、爆发力和速度。(中央电视台体育解说员蔡猛 评)
刘诗雯成为中国女乒的后起之秀,得益于“女子打法男子化”的风格。她的特点是速度快、反应快、头脑灵活,擅长快攻,打法凶狠,但也带来了失误多的缺陷,比赛中患得患失,缺少变化。(《羊城晚报》 评)
刘诗雯也无需对大家说对不起,人们有时候把国乒夺冠当成理所当然,但运动员为登上赛场都付出了巨大的汗水和牺牲,“必拿冠军”对他们可能反而是一种心理负担。(《红星新闻》 评)