2004年2月，进入国家二队；7月，在印度举行的乒乓球亚洲少年赛中，取得了团体冠军和女双冠军；10月，在葡萄牙举行的世界少年乒乓球挑战赛中，取得了女子单打冠军；11月，在日本神户举行的世界青年乒乓球锦标赛中，取得了女双、混双和团体冠军，单打亚军。 2005年，进入国家一队，在亚洲乒乓球锦标赛上，她和郭焱合作拿下了女双冠军。 2007年10月23日，第六届城市运动会乒乓球男女团体的决赛，刘诗雯所在的广州队以总分3-2击败沈阳队，获得城运会女乒团体赛冠军。 2007年11月27日，全国乒乓球锦标赛女子单打决赛，刘诗雯对阵李晓霞，以4比2的总比分取胜，继混双之后又拿到了女子单打的冠军。 2008年，刘诗雯因年龄因素落选北京奥运会。 2009年10月12日，乒乓球女子世界杯单打决赛，刘诗雯以4比3战胜队友郭跃夺取冠军。这是刘诗雯首次在世界大赛中夺得女单冠军；10月25日，由郭跃、李晓霞、刘诗雯、丁宁组成的中国女团在世界杯团体赛上获得冠军。 刘诗雯 2010年2月27日，国际乒联巡回赛科威特公开赛女单决赛，刘诗雯迎战“瓷娃娃”福原爱。最终，刘诗雯以4-3战胜日本选手福原爱，获得科威特赛的女单冠军。 2010年10月1日，在阿联酋迪拜进行的乒乓球团体世界杯女团决赛中，卫冕冠军中国队以3比0战胜世乒赛新贵新加坡队，夺得冠军。由于上场在莫斯科世乒赛中，刘诗雯与丁宁在决赛中一共输掉3分，结果该场赛事二人被彻底冷藏，没有出场。 2011年11月26日，国际乒联职业巡回赛女单决赛，刘诗雯以4-0击败丁宁，首度获得乒联巡回赛总决赛的女单冠军。 2012年，乒超联赛展开女团决赛，由刘诗雯担任主将的山西队以3-2险胜由郭跃担任主将的广东队，获得团体乒超冠军。刘诗雯就此成为继张怡宁、李晓霞之后，又一位率队夺得乒超冠军的女乒选手。 2013年第十二届全运会，刘诗雯与张超代表广东队出战混双决赛，并摘得银牌。 2013年9月23日，在日本神户中央体育馆内进行的第17届世界杯女子乒乓球赛女子单打决赛中，刘诗雯以4比0战胜武杨，摘取女乒世界杯桂冠。 2013年11月24日，国际乒联世界巡回赛之俄罗斯公开赛，在女单决赛中，丁宁以4比3险胜刘诗雯夺冠，在双打中搭档刘诗雯获得女双冠军。 刘诗雯 2014年10月3日，仁川亚运会乒乓球女子双打比赛，朱雨玲/陈梦以4比2战胜队友刘诗雯/武杨夺取金牌，刘诗雯/武杨摘得银牌，实现了亚运会女双的三连冠；10月4日，在仁川亚运会乒乓球女单决赛中，刘诗雯以4比0战胜朱雨玲，赢得亚运会乒乓球女单冠军，中国乒乓球女单赢得亚运五连冠。
2015年，乒乓球亚洲杯女子单打决赛，刘诗雯以2比4不敌新加坡的冯天薇获得亚军。 2015年5月，在世界乒乓球锦标赛女单决赛中，刘诗雯以3比4不敌丁宁获亚军，在女双决赛中，与搭档朱雨玲获冠军。 2015年12月，刘诗雯首度获得年度最佳女运动员。 2016年3月6日，世界乒乓球锦标赛女团决赛，刘诗雯3-0击败福原爱，中国队3-0击败日本，第20次获得冠军。 2016年3月22日，2016年国际乒联科威特公开赛结束了全部单项角逐，丁宁与刘诗雯搭档获得女双桂冠。 2016年6月27日，中国乒乓球队在里约奥运会前的最后两站公开比赛日本、韩国公开赛均已结束，刘诗雯收获一个冠军一个亚军。 刘诗雯 2016年7月18日，国家体育总局在人民大会堂召开中国里约奥运代表团成立大会，参加里约奥运会的中国运动员名单也将正式对外公布，刘诗雯入选乒乓球项目。 2016年8月17日，在里约奥运会乒乓球女子团体决赛中，中国女队总分3比0战胜德国女队获得金牌实现三连冠，德国收获一枚银牌。首场比赛，李晓霞3比0胜韩莹；第二场，刘诗雯3比0轻取索尔佳；第三场双打，丁宁/刘诗雯3比1拿下单晓娜/索尔佳。刘诗雯和队友（李晓霞、丁宁）3-0横扫德国强势夺冠，实现奥运会3连冠。[3] 2016年9月17日，2016中国乒乓球赛女单比赛中，刘诗雯在0-3落后的情况下4-3大逆转战胜新加坡新秀曾尖。[4] 2016年9月17日，国际乒联世界巡回赛中国公开赛女双半决赛，丁宁／刘诗雯配合默契，以3：0轻松击败中华台北组合郑先知／陈思羽。[5] 2016年9月18日，2016赛季中国乒乓球俱乐部超级联赛摘牌会在国家体育总局乒羽运动管理中心举行。刘诗雯以近700万元的价格被武汉安心收入帐下。[6] 2016年9月26日，2016年全国乒乓球锦标赛，刘诗雯/林高远在决赛中以4比1力克由两大新科大满贯组成的马龙/丁宁。[7] 2016年10月5日，刘诗雯宣布因伤退出世界杯。[8] 2016年11月13日，2016年乒超联赛女子比赛第九轮中，世界第一丁宁与世界第二刘诗雯上演巅峰对决，最终丁宁以3：2险胜。[9] 2016年11月，国际乒联官方宣布，刘诗雯将退出12月初在多哈举行的国际乒联巡回赛争夺。女乒主教练孔令辉在接受采访时表示，刘诗雯因近期消极出战的态度，将暂停她参加国际比赛的资格。[10] 2016年12月9日，国际乒联公布了新一批的国际乒联名人堂名单，刘诗雯成功入围。[11] 2016年12月29日，2016赛季乒超联赛女团首场半决赛，刘诗雯率领的武汉安心对阵武杨和文佳组成的山东齐鲁。尽管苦战五局不敌陈幸同，但刘诗雯在关键的第四场激战五局力克文佳，带领武汉安心总比分3-1击败山东齐鲁闯进决赛。[12] 2017年1月4日，体育总局发布关于授予2016年度优秀运动员和教练员体育运动奖章的决定，授予刘诗雯2016年度体育运动荣誉奖章。[13] 2017年1月10日，先前因为态度消极遭到禁赛的刘诗雯并没有出现在集训名单当中，她仍处于禁赛期[14]。1月16日，孔令辉宣布，刘诗雯解除禁赛决定，重返国家队。[15] 2017年2月17日，刘诗雯当选中国女子乒乓球队副队长。[16] 2017年3月3日，2017年“地表最强12人”国乒直通选拔赛，刘诗雯以2-0（13-11、11-9）击败陈梦。[17] 2017年3月，2017年“地表最强12人”国乒直通选拔赛在广东深圳体育中心进入到第四比赛日，刘诗雯以八战全胜的战绩排名女单积分榜第一。[18] 2017年3月29日，2017年全运会乒乓球资格赛在鞍山落幕，丁宁/刘诗雯顺利晋级。[19] 2017年4月11日，2017年无锡亚锦赛女团决赛中，中国女队3-0完胜日本队，刘诗雯以3-1（11-3、9-11、11-8、11-9）胜平野美宇。[20] 2017年4月15日，2017年无锡第23届亚锦赛进入到女单半决赛的争夺，女单半决赛，刘诗雯1-3不敌陈梦。[21] 2017年5月3日，2017年世乒赛女单项目种子选手名单出炉，刘诗雯在列。[22] 2017年5月6日，2017杜塞尔多夫世乒赛双打项目种子排名出炉，刘诗雯列女子双打4号种子席位。[23] 2017年6月，2017年单项世乒赛女双1/8决赛，丁宁/刘诗雯4-0完胜日本的平野美宇/石川佳纯，闯进八强。[24] 2017年6月，2017年杜塞尔多夫世乒赛女子单打结束第四轮的角逐，刘诗雯以4比0击败金成伊，进入八强。[25] 2017年6月，2017年第54届德国杜塞尔多夫世乒赛展开女单半决赛的角逐，刘诗雯以5-11不敌朱雨玲。[26] 2017年6月5日，2017年杜塞尔多夫世乒赛女双决赛，丁宁/刘诗雯4-3战胜朱雨玲/陈梦夺冠。[27] 2017年6月24日，2017年国际乒联职业巡回赛中国乒乓球公开赛展开女单半决赛的争夺，刘诗雯以0-4（11-13、8-11、6-11、10-12）负于孙颖莎。[28] 2017年6月25日，2017年国际乒联职业巡回赛中国乒乓球公开赛女双决赛，丁宁/刘诗雯在先失一局的情况下连扳三局，以3-1（9-11、11-7、11-4、12-10）逆转队友陈梦/朱雨玲，夺得女双桂冠。[29] 2017年8月2日，体育总局乒羽中心确认刘诗雯参加2017年8月28日至9月6日在天津举行的2017年全运会乒乓球比赛。[30] 2017年9月2日，第十三届全运会乒乓球混双16强战中，刘诗雯与林高远组合意外不敌解放军队的木子/周雨，止步16强。[31] 2017年9月5日，在2017年天津全运会乒乓球女双决赛中，丁宁/刘诗雯3-2胜刘高阳/冯亚兰获得女双铜牌。[32] 2017年9月6日，2017年天津全运会乒乓球比赛进入到女单决赛，刘诗雯获得亚军。[33] 2017年9月17日，2017年第30届亚洲杯女单决赛中，刘诗雯以3-4败于朱雨玲，获得亚军。[34] 2017年10月2日，中国乒协在官网发表公告，宣布刘诗雯参加女乒世界杯。[35] 2017年10月29日，2017年女乒世界杯八强战结束。刘诗雯4-0战胜罗马尼亚的萨马拉，晋级四强。[36] 2017年11月7日，国际乒联官微表示，刘诗雯由于伤病退出菁英航运2017德国公开赛与瑞典公开赛。[37
