2004年2月，進入國家二隊；7月，在印度舉行的乒乓球亞洲少年賽中，取得了團體冠軍和女雙冠軍；10月，在葡萄牙舉行的世界少年乒乓球挑戰賽中，取得了女子單打冠軍；11月，在日本神戶舉行的世界青年乒乓球錦標賽中，取得了女雙、混雙和團體冠軍，單打亞軍。 ?2005年，進入國家壹隊，在亞洲乒乓球錦標賽上，她和郭焱合作拿下了女雙冠軍。 ?2007年10月23日，第六屆城市運動會乒乓球男女團體的決賽，劉詩雯所在的廣州隊以總分3-2擊敗沈陽隊，獲得城運會女乒團體賽冠軍。 ?2007年11月27日，全國乒乓球錦標賽女子單打決賽，劉詩雯對陣李曉霞，以4比2的總比分取勝，繼混雙之後又拿到了女子單打的冠軍。 ?2008年，劉詩雯因年齡因素落選北京奧運會。 ?2009年10月12日，乒乓球女子世界杯單打決賽，劉詩雯以4比3戰勝隊友郭躍奪取冠軍。這是劉詩雯首次在世界大賽中奪得女單冠軍；10月25日，由郭躍、李曉霞、劉詩雯、丁寧組成的中國女團在世界杯團體賽上獲得冠軍。 ? 劉詩雯 2010年2月27日，國際乒聯巡回賽科威特公開賽女單決賽，劉詩雯迎戰“瓷娃娃”福原愛。最終，劉詩雯以4-3戰勝日本選手福原愛，獲得科威特賽的女單冠軍。 ?2010年10月1日，在阿聯酋迪拜進行的乒乓球團體世界杯女團決賽中，衛冕冠軍中國隊以3比0戰勝世乒賽新貴新加坡隊，奪得冠軍。由於上場在莫斯科世乒賽中，劉詩雯與丁寧在決賽中壹***輸掉3分，結果該場賽事二人被徹底冷藏，沒有出場。 ?2011年11月26日，國際乒聯職業巡回賽女單決賽，劉詩雯以4-0擊敗丁寧，首度獲得乒聯巡回賽總決賽的女單冠軍。 ?2012年，乒超聯賽展開女團決賽，由劉詩雯擔任主將的山西隊以3-2險勝由郭躍擔任主將的廣東隊，獲得團體乒超冠軍。劉詩雯就此成為繼張怡寧、李曉霞之後，又壹位率隊奪得乒超冠軍的女乒選手。 ?2013年第十二屆全運會，劉詩雯與張超代表廣東隊出戰混雙決賽，並摘得銀牌。 ?2013年9月23日，在日本神戶中央體育館內進行的第17屆世界杯女子乒乓球賽女子單打決賽中，劉詩雯以4比0戰勝武楊，摘取女乒世界杯桂冠。 ?2013年11月24日，國際乒聯世界巡回賽之俄羅斯公開賽，在女單決賽中，丁寧以4比3險勝劉詩雯奪冠，在雙打中搭檔劉詩雯獲得女雙冠軍。 ? 劉詩雯 2014年10月3日，仁川亞運會乒乓球女子雙打比賽，朱雨玲/陳夢以4比2戰勝隊友劉詩雯/武楊奪取金牌，劉詩雯/武楊摘得銀牌，實現了亞運會女雙的三連冠；10月4日，在仁川亞運會乒乓球女單決賽中，劉詩雯以4比0戰勝朱雨玲，贏得亞運會乒乓球女單冠軍，中國乒乓球女單贏得亞運五連冠。
2015年，乒乓球亞洲杯女子單打決賽，劉詩雯以2比4不敵新加坡的馮天薇獲得亞軍。 ?2015年5月，在世界乒乓球錦標賽女單決賽中，劉詩雯以3比4不敵丁寧獲亞軍，在女雙決賽中，與搭檔朱雨玲獲冠軍。 ?2015年12月，劉詩雯首度獲得年度最佳女運動員。 ?2016年3月6日，世界乒乓球錦標賽女團決賽，劉詩雯3-0擊敗福原愛，中國隊3-0擊敗日本，第20次獲得冠軍。 ?2016年3月22日，2016年國際乒聯科威特公開賽結束了全部單項角逐，丁寧與劉詩雯搭檔獲得女雙桂冠。 ?2016年6月27日，中國乒乓球隊在裏約奧運會前的最後兩站公開比賽日本、韓國公開賽均已結束，劉詩雯收獲壹個冠軍壹個亞軍。 ? 劉詩雯 2016年7月18日，國家體育總局在人民大會堂召開中國裏約奧運代表團成立大會，參加裏約奧運會的中國運動員名單也將正式對外公布，劉詩雯入選乒乓球項目。 ?2016年8月17日，在裏約奧運會乒乓球女子團體決賽中，中國女隊總分3比0戰勝德國女隊獲得金牌實現三連冠，德國收獲壹枚銀牌。首場比賽，李曉霞3比0勝韓瑩；第二場，劉詩雯3比0輕取索爾佳；第三場雙打，丁寧/劉詩雯3比1拿下單曉娜/索爾佳。劉詩雯和隊友（李曉霞、丁寧）3-0橫掃德國強勢奪冠，實現奧運會3連冠。[3] ?2016年9月17日，2016中國乒乓球賽女單比賽中，劉詩雯在0-3落後的情況下4-3大逆轉戰勝新加坡新秀曾尖。[4] ?2016年9月17日，國際乒聯世界巡回賽中國公開賽女雙半決賽，丁寧／劉詩雯配合默契，以3：0輕松擊敗中華臺北組合鄭先知／陳思羽。[5] ?2016年9月18日，2016賽季中國乒乓球俱樂部超級聯賽摘牌會在國家體育總局乒羽運動管理中心舉行。劉詩雯以近700萬元的價格被武漢安心收入帳下。[6] ?2016年9月26日，2016年全國乒乓球錦標賽，劉詩雯/林高遠在決賽中以4比1力克由兩大新科大滿貫組成的馬龍/丁寧。[7] ?2016年10月5日，劉詩雯宣布因傷退出世界杯。[8] ?2016年11月13日，2016年乒超聯賽女子比賽第九輪中，世界第壹丁寧與世界第二劉詩雯上演巔峰對決，最終丁寧以3：2險勝。[9] ?2016年11月，國際乒聯官方宣布，劉詩雯將退出12月初在多哈舉行的國際乒聯巡回賽爭奪。女乒主教練孔令輝在接受采訪時表示，劉詩雯因近期消極出戰的態度，將暫停她參加國際比賽的資格。[10] ?2016年12月9日，國際乒聯公布了新壹批的國際乒聯名人堂名單，劉詩雯成功入圍。[11] ?2016年12月29日，2016賽季乒超聯賽女團首場半決賽，劉詩雯率領的武漢安心對陣武楊和文佳組成的山東齊魯。盡管苦戰五局不敵陳幸同，但劉詩雯在關鍵的第四場激戰五局力克文佳，帶領武漢安心總比分3-1擊敗山東齊魯闖進決賽。[12] ?2017年1月4日，體育總局發布關於授予2016年度優秀運動員和教練員體育運動獎章的決定，授予劉詩雯2016年度體育運動榮譽獎章。[13] ?2017年1月10日，先前因為態度消極遭到禁賽的劉詩雯並沒有出現在集訓名單當中，她仍處於禁賽期[14]。1月16日，孔令輝宣布，劉詩雯解除禁賽決定，重返國家隊。[15] ?2017年2月17日，劉詩雯當選中國女子乒乓球隊副隊長。[16] ?2017年3月3日，2017年“地表最強12人”國乒直通選拔賽，劉詩雯以2-0（13-11、11-9）擊敗陳夢。[17] ?2017年3月，2017年“地表最強12人”國乒直通選拔賽在廣東深圳體育中心進入到第四比賽日，劉詩雯以八戰全勝的戰績排名女單積分榜第壹。[18] ?2017年3月29日，2017年全運會乒乓球資格賽在鞍山落幕，丁寧/劉詩雯順利晉級。[19] ?2017年4月11日，2017年無錫亞錦賽女團決賽中，中國女隊3-0完勝日本隊，劉詩雯以3-1（11-3、9-11、11-8、11-9）勝平野美宇。[20] ?2017年4月15日，2017年無錫第23屆亞錦賽進入到女單半決賽的爭奪，女單半決賽，劉詩雯1-3不敵陳夢。[21] ?2017年5月3日，2017年世乒賽女單項目種子選手名單出爐，劉詩雯在列。[22] ?2017年5月6日，2017杜塞爾多夫世乒賽雙打項目種子排名出爐，劉詩雯列女子雙打4號種子席位。[23] ?2017年6月，2017年單項世乒賽女雙1/8決賽，丁寧/劉詩雯4-0完勝日本的平野美宇/石川佳純，闖進八強。[24] ?2017年6月，2017年杜塞爾多夫世乒賽女子單打結束第四輪的角逐，劉詩雯以4比0擊敗金成伊，進入八強。[25] ?2017年6月，2017年第54屆德國杜塞爾多夫世乒賽展開女單半決賽的角逐，劉詩雯以5-11不敵朱雨玲。[26] ?2017年6月5日，2017年杜塞爾多夫世乒賽女雙決賽，丁寧/劉詩雯4-3戰勝朱雨玲/陳夢奪冠。[27] ?2017年6月24日，2017年國際乒聯職業巡回賽中國乒乓球公開賽展開女單半決賽的爭奪，劉詩雯以0-4（11-13、8-11、6-11、10-12）負於孫穎莎。[28] ?2017年6月25日，2017年國際乒聯職業巡回賽中國乒乓球公開賽女雙決賽，丁寧/劉詩雯在先失壹局的情況下連扳三局，以3-1（9-11、11-7、11-4、12-10）逆轉隊友陳夢/朱雨玲，奪得女雙桂冠。[29] ?2017年8月2日，體育總局乒羽中心確認劉詩雯參加2017年8月28日至9月6日在天津舉行的2017年全運會乒乓球比賽。[30] ?2017年9月2日，第十三屆全運會乒乓球混雙16強戰中，劉詩雯與林高遠組合意外不敵解放軍隊的木子/周雨，止步16強。[31] ?2017年9月5日，在2017年天津全運會乒乓球女雙決賽中，丁寧/劉詩雯3-2勝劉高陽/馮亞蘭獲得女雙銅牌。[32] ?2017年9月6日，2017年天津全運會乒乓球比賽進入到女單決賽，劉詩雯獲得亞軍。[33] ?2017年9月17日，2017年第30屆亞洲杯女單決賽中，劉詩雯以3-4敗於朱雨玲，獲得亞軍。[34] ?2017年10月2日，中國乒協在官網發表公告，宣布劉詩雯參加女乒世界杯。[35] ?2017年10月29日，2017年女乒世界杯八強戰結束。劉詩雯4-0戰勝羅馬尼亞的薩馬拉，晉級四強。[36] ?2017年11月7日，國際乒聯官微表示，劉詩雯由於傷病退出菁英航運2017德國公開賽與瑞典公開賽。[37