2015年，孙颖莎进入国家二队。2017年，升入一队 ；6月，首次在日本公开赛中斩获女单、女双两项冠军 ；7月，世界排名从无直接“空降”至世界第10 ；同年斩获2017年世青赛女单、女双、女团三冠 。2018年，获得青奥会女单冠军。 。2019年，获得世锦赛女双冠军、世界杯女团冠军，并首次摘得亚锦赛与全锦赛女单冠军 。2020年，获WTT澳门国际乒乓球女单冠军，是WTT历史上首位冠军 。2021年，获得东京奥运会乒乓球女单亚军、女团冠军； 11月，获得世乒赛女单亚军、女双冠军、混双冠军。 12月，获得2021年WTT世界杯女单冠军。2022年1月，首次登顶世界第一，成为世界乒坛首位“00后”世界第一。
2023年，孙颖莎获得WTT新加坡大满贯女单、女双、混双三项冠军，成为WTT大满贯赛史上首位“三冠王”； 5月，获得德班世乒赛女单冠军、混双冠军，成为世乒赛历史上首位00后单打冠军，同时成就世乒赛金满贯； 2024年4月，首次获得世界杯女单冠军；2024年巴黎奥运会获得混双金牌、女团金牌、女单银牌，其中混双金牌也是中国队首枚混双金牌。
2025年4月，孙颖莎成功卫冕世界杯女单冠军。 5月在多哈世乒赛中，成功卫冕世乒赛女单冠军，并成为中国乒乓球队历史上首位双圈世锦赛金满贯的女运动员。 7月19日，孙颖莎已经连续三年稳坐世界第一，并以11250分创造历史。