2004年，在世界杯短池赛俄罗斯站200米混合泳中，刘子歌获得金牌。同年，随着教练金炜转会到上海，成为上海宝山体育局宝山游泳学校的一名学生。 

2005年，刘子歌进入上海游泳队。 

2007年，进入中国国家队。

2008年4月，在全国游泳冠军赛暨奥运会选拔赛中获得女子200米蝶泳冠军，并取得北京奥运会参赛资格；8月14日，刘子歌在北京奥运会女子200蝶泳比赛中，以2分04秒18获得金牌，并打破了世界纪录。

2009年4月，在全国游泳冠军赛200米蝶泳获得银牌，7月，在罗马世锦赛获得200蝶泳亚军，10月，在十一运会上，以56秒07获得100米蝶泳冠军，并打破亚洲纪录；以2分01秒81获得200米蝶泳冠军，超过了澳大利亚选手斯奇普保持的2分03秒41的世界纪录；还与队友合作获得女子4×100米混合泳金牌。11月，在世界杯短池游泳系列赛斯德哥尔摩站，以2分02秒50获得金牌，并打破了世界纪录。在国际泳联短池游泳世界杯赛柏林站，获得女子200米蝶泳冠军，以2分00秒78打破世界纪录。同年12月，获得第五届东亚运动会女子200米蝶泳金牌、亚洲游泳锦标赛女子200米蝶泳金牌。2010年2月，在短池游泳世锦赛女子200米蝶泳决赛中，刘子歌开始150米一路领先，但后劲不足，最终以2分04秒78仅列第五。在女子4×100米混合泳接力中，与队友合作获得金牌。

2011年4月，在全国游泳冠军赛，获得女子50米蝶泳第五名、100米蝶泳冠军、200米蝶泳冠军。同年11月，在短池世界杯北京站女子100米蝶泳获得第四名、女子200米蝶泳第四名。同年8月，在伦敦奥运会女子200米蝶泳仅获得第八名。同年11月，短池游泳世界杯系列赛北京站获得女子100米蝶泳第五名、女子200米蝶泳第三名；同年12月，世界短池游泳锦标赛获得女子100米蝶泳获得第二名、女子200米蝶泳第四名。

2013年，全国游泳冠军赛女子200米蝶泳获得第二名；同年8月，世界游泳锦标赛女子200米蝶泳获得冠军。