2004年全国青年锦标赛获得女子20公里竞走第六名。
2005年，在南宁举行的全国青年竞走锦标赛以1小时32分20秒获得女子竞走20公里第一名；4月，在慈溪举行的国际田联竞走挑战赛以1小时29分9秒的成绩仅获得第十名；10月，在南京举行的第十届全运会以1小时30分22秒获得第八名。
2006年4月，扬州国际田联竞走挑战赛以1小时28分26秒的成绩获得第三名；5月，西班牙世界杯竞走赛以1小时28分59秒的成绩获得第六名；8月，第11届世界青年锦标赛女子10公里竞走以45分12秒84获得冠军；12月，在卡塔尔多哈举行的亚运会中，以1小时32分19秒的成绩获得女子20公里竞走冠军。
2007年第六届城运会上获得女子20公里竞走冠军。
2008年4月，北京国际田联竞走挑战赛以1小时29分30秒的成绩获得女子20公里竞走第一名，8月，在北京奥运会上以1小时27分17秒的成绩获得第四名，创造了个人比赛的最好成绩。
2009年8月，在柏林世锦赛女子20公里竞走比赛中以1小时29分10秒获得第三名；10月，在第十一届全运会女子20公里竞走比赛中以1小时28分11秒夺得金牌，这一成绩比她在柏林世锦赛提高了差不多一分钟，这也是刘虹2009年以来取得的最好成绩。11月，在广州举行的第18届亚洲田径锦标赛，女子20公里竞走比赛中因吃到了3张红牌被罚出场，没有成绩。
2010年11月，广州亚运会女子20公里竞走比赛中，刘虹采取跟随战术，赛程过半后，开始加速并超越对手，在此后的较量中，刘虹被判屈膝犯规两次，但速度仍未有减缓的趋势，最终以1小时30分06秒获得冠军。
2011年4月，在国际田联竞走挑战赛暨全国冠军赛，刘虹以1小时27分17秒的成绩获得冠军；8月，大邱世界田径锦标赛女子20公里竞走，刘虹以1小时30分00秒获得银牌。
2012年3月，在国际田联竞走挑战赛太仓站女子20公里竞走比赛中，刘虹以1小时25分46秒的成绩获得冠军，这个成绩打破了由中国选手王妍保持的1小时26分22秒的亚洲记录。8月，在伦敦奥运会女子20公里竞走决赛中，以1小时26分获得第四名。（2016年3月28日，体育仲裁法庭确认了对部分俄罗斯田径运动员的处罚生效，在女子20公里竞走项目中，俄罗斯名将卡尼什金娜的银牌被剥夺，中国选手刘虹递补成为季军。
2013年3月，在国际田联竞走挑战赛瑞士卢加诺站比赛中，刘虹以1小时27分06秒夺冠，打破了俄罗斯选手西比列娃2012年创造的1小时28分03秒的赛会纪录。5月，第十二届全运会女子20公里竞走，以1小时27分53秒的成绩获得第二名。8月，莫斯科世界田径锦标赛女子20公里竞走，刘虹以1小时28分10秒的成绩获得第三名。11月，在苏州举行的环太湖国际竞走多日赛女子15公里的比赛中，刘虹1小时10分39秒的成绩获得冠军。
2014年3月，刘虹在国际田联竞走挑战赛瑞士卢加诺站的比赛中以1小时27分25秒摘得女子20公里竞走金牌。
2015年4月，国际田联竞走挑战赛葡萄牙里奥马约尔大奖赛的比赛中，刘虹以1小时27分22秒的赛季最好成绩获得冠军。6月，国际田联竞走挑战赛拉科鲁尼亚站女子20公里竞走比赛，刘虹以1小时24分38秒获得冠军，并打破了1小时25分02秒的世界纪录，这一纪录同年7月被国际田联正式认可。8月，在北京举行的世界田径锦标赛女子20公里竞走比赛中，刘虹以1小时27分45秒的成绩获得冠军。12月，刘虹被新华社评为2015年中国十佳运动员。
2016年3月，在全国竞走大奖赛暨奥运会选拔赛女子20公里竞走比赛中，刘虹早早确立优势，后半段基本上就是一人独自领走，以1小时25分56秒的成绩获得冠军，同时也获得里约奥运该项目的参赛资格。5月，在意大利罗马进行的国际田联竞走团体世锦赛中，刘虹以1小时25分59秒的成绩获得女子20公里竞走冠军。8月20日，里约奥运会女子20公里竞走决赛，刘虹以1小时28分35秒的成绩获得冠军。
2018年7月13日-7月15日，Columbia崇礼168国际超级越野赛如期举行，ETC（35km）组，里约奥运会竞走冠军刘虹以4小时28分09秒位居该组别女子组第二名。
2019年9月30日，在多哈田径世锦赛女子20公里竞走决赛中，刘虹以1小时32分53秒的成绩夺冠。11月23日，2019年世界田联年度颁奖典礼在摩纳哥举行。刘虹凭借打破50公里竞走世界纪录的成绩，登台领取世界田联为年度创造世界纪录的运动员颁发的纪念奖牌。
2020年9月20日，在全国竞走锦标赛女子20公里竞走决赛中，刘虹以1小时27分46秒夺冠。
2021年5月8日，在2021年全国竞走冠军赛暨全运会资格赛中，刘虹以1小时28分48秒拿下女子20公里竞走冠军。7月14日，刘虹入选2020年东京奥运会中国体育代表团竞走项目运动员名单。8月6日，刘虹以1小时29分57秒的成绩获得东京奥运会女子20公里竞走铜牌。9月24日，在陕西全运会女子20公里竞走决赛中，刘虹夺得第四名。赛后，刘虹表示，这是自己的最后一场比赛。
当地时间2022年3月21日，国际田联旗下独立调查机构“田径诚信委员会”发布公告说，2012年伦敦奥运会女子20公里竞走冠军、俄罗斯选手叶莲娜·拉什马诺娃“因违规服用兴奋剂被取消成绩”，意味着中国选手刘虹获得了该项目的银牌。
2022年3月，刘虹递补获得伦敦奥运会女子20公里竞走银牌。
2022年3月，刘虹递补获得2013年莫斯科世锦赛20公里竞走金牌，她也实现了世锦赛4金，2011-2015世锦赛三连冠。
2022年7月8日，国际田联公布了2022年田径世锦赛的参赛名单，20公里竞走项目刘虹入选。7月16日，在2022年世界田径锦标赛女子20公里竞走决赛中，刘虹获得第五名。
