2015年9月，孙颖莎进入国家二队。
2017年1月20日，孙颖莎入选女子乒乓球一队。
2017年6月14日，2017年国际乒联日本公开赛，在女单资格赛第一轮的较量中，孙颖莎4-0完胜中国台北的黄郁雯，这是中国队00后小将在正式大赛中的首场胜利。6月17日，在女双决赛中，陈幸同/孙颖莎对阵韩国的田志希/梁夏银。陈幸同/孙颖莎在先丢两局的情况下3-2逆转击败田志希/梁夏银，获得本届日本公开赛的女双冠军。6月18日，在女单决赛中，孙颖莎4-3战胜陈梦夺冠。6月25日，2017年国际乒联巡回赛中国公开赛，在女单决赛中，孙颖莎1:4不敌丁宁，最终收获女单亚军。9月24日，2017年国际乒联奥地利公开赛，在女双决赛中，陈幸同/孙颖莎3-2击败日本的组合桥本帆乃香/佐藤瞳夺冠。2017年12月，世界青年乒乓球锦标赛，孙颖莎在女团、女双、混双、女单四个项目的比赛中勇夺三金。中国女团在决赛中3:1战胜日本女团夺得首金；女双决赛中石洵瑶/孙颖莎4-3钱天一/王曼昱胜出夺冠，女单决赛中，孙颖莎以4-3战胜王曼昱夺冠。
2018年5月27日，国际乒联世界巡回赛香港公开赛，在女子双打中，孙颖莎/陈幸同3：0战胜陈可/王曼昱夺冠。2018年7月21日，2018年韩国乒乓球公开赛混双决赛，王楚钦/孙颖莎以1-3不敌朝韩组合张宇镇/车孝心，无缘冠军。8月6日，孙颖莎入选第十八届亚运会中国体育代表团名单。2018年8月28日，在印度尼西亚举行的雅加达亚运会乒乓球女团决赛中，由朱雨玲、陈梦、王曼昱、陈幸同、孙颖莎组成的中国队以3-0战胜朝鲜队夺冠。8月30日，混双决赛，王楚钦/孙颖莎4-2战胜林高远/王曼昱夺冠，这是中国队参加亚运会以来获得的第十个混双冠军，这也是中国队在亚运会乒乓球比赛中，第四次以包揽冠亚军的方式拿到混双金牌。10月11日，第三届青奥会，在女单决赛中，孙颖莎以4∶1战胜平野美宇夺得冠军。10月16日，在混合团体决赛中，孙颖莎/王楚钦以2:1战胜日本队张本智和/平野美宇夺得冠军。
2019年4月24日，在布达佩斯世界乒乓球锦标赛中，孙颖莎以4比1淘汰日本选手伊藤美诚，晋级女单16强。4月25日，孙颖莎以4比0淘汰朝鲜的车孝心，晋级女单8强。4月26日，在女单1/4决赛中，孙颖莎2比4不敌王曼昱。4月28日，孙颖莎/王曼昱4比2逆转战胜日本组合早田希娜/伊藤美诚，获得女双冠军，帮助中国队拿下第五冠，包揽本届世乒赛所有项目的冠军。6月16日，在国际乒联日本公开赛中，孙颖莎以4：3战胜刘诗雯，夺得女单冠军。7月14日，在国际乒联澳大利亚公开赛中，孙颖莎以4：0战胜丁宁，夺得女单冠军。7月29日，在全国乒乓球锦标赛中，孙颖莎以4比0战胜朱雨玲，夺得女单冠军。9月21日，在2019年亚洲乒乓球锦标赛中，孙颖莎以3比0战胜刘诗雯，夺得女单冠军。10月12日，在2019年国际乒联德国公开赛混双决赛中，许昕/孙颖莎以3-1击败王楚钦/王曼昱获得冠军。10月13日，女单决赛，孙颖莎以4-1击败伊藤美诚夺得冠军。10月7日，2019年乒乓球世界杯团体赛中国队参赛名单出炉，孙颖莎入选。11月10日，在2019年乒乓球团体世界杯女团决赛中，中国队3-0战胜日本队，获得冠军，这也是中国女队获得的九连冠。11月24日，在T2钻石赛新加坡站女单决赛中，孙颖莎4-3战胜伊藤美诚，获得女单冠军。
2020年3月7日，在2020年国际乒联卡塔尔公开赛混双决赛中，王楚钦/孙颖莎1-3不敌日本组合水谷隼/伊藤美诚无缘冠军。8月10日晚，国乒奥运模拟赛决出首金，孙颖莎夺得冠军。10月4日，在全国乒乓球锦标赛女子团体决赛中，孙颖莎与臧小桐、何卓佳组成的河北队以3-0横扫山东队，夺得冠军。10月9日，在山东威海举办的2020全国乒乓球锦标赛中，孙颖莎不敌山东队陈梦获全锦赛女单亚军。10月10日，在2020年全国乒乓球锦标赛女双决赛中，孙颖莎/王艺迪以3比4不敌陈梦/王曼昱获得亚军。11月10日，在2020年女子乒乓球世界杯女单决赛中，孙颖莎以1比4不敌陈梦获得亚军。11月29日，孙颖莎获WTT澳门国际乒乓球女单冠军。 12月29日，孙颖莎与王艺迪、陈梦组成的深圳大学乒乓球队3-1战胜山东鲁能，夺得乒超女团冠军。
2021年7月，孙颖莎入选2020年东京奥运会中国体育代表团乒乓球项目运动员名单。7月28日，在东京奥运会乒乓球女子单打四分之一决赛中，中国选手孙颖莎以4比0战胜德国选手韩莹，晋级半决赛。7月29日，女单第二场半决赛，孙颖莎面对伊藤美诚，直落四局4-0横扫对手，与陈梦会师决赛。同日，孙颖莎在女单决赛中2-4不敌陈梦，获得女单银牌。8月3日，与队友陈梦、王曼昱在2020年东京奥运会乒乓球女子团体赛1/4决赛中以3：0横扫新加坡队冯天薇、于梦雨、林叶组合。8月5日，在2020年东京奥运会乒乓球女子团体决赛中，孙颖莎在第二轮3-1击败伊藤美诚，帮助中国队以大比分3-0战胜日本队夺冠。东京奥运会结束后，孙颖莎在国际乒联中的女单世界排名升至第二。8月24日，孙颖莎入选第十四届全国运动会乒乓球项目参赛名单。9月21日，陕西全运会乒乓球女团铜牌赛，孙颖莎所在的河北队3-0战胜四川队，获得全运女团铜牌。9月22日，在全运会混双1/4决赛中，孙颖莎与梁靖崑以1-3不敌江苏队的孙闻与钱天一，无缘4强。9月25日，在全运会女单决赛中，孙颖莎0-4负于王曼昱，获得亚军。9月26日，在全运会女双季军战中，孙颖莎与孙铭阳以0-3负于石洵瑶、蒯曼，无缘奖牌。10月10日，2021乒超联赛女团半决赛，深圳大学以3-0战胜大土河华理，顺利晋级女团决赛。其中，孙颖莎3-0击败王艺迪，以总积分1250排在女子单打个人积分榜上第一，蝉联乒超MVP的同时也拿到休斯顿世锦赛的单打资格。10月12日，在乒超联赛女子团体决赛中，孙颖莎与顾玉婷、何卓佳组成的深圳大学乒乓球队以1-3不敌山东鲁能队，获得亚军。10月，在中国乒协公布休斯敦世乒赛参赛名单孙颖莎参加女子单打。11月，2021世界乒乓球锦标赛参赛名单确认，孙颖莎在列。11月16日，国际乒联最新一期世界排名女单第二位。11月29日凌晨，2021年休斯敦世乒赛，王楚钦/孙颖莎晋级混双决赛与日本组合争冠。同日，在休斯敦世乒赛女单半决赛第二场比赛中，孙颖莎4比1击败王艺迪，晋级决赛。11月29日，在2021休斯顿世乒赛混双决赛中，中国组合孙颖莎/王楚钦以3比0击败日本组合张本智和/早田希娜，夺得金牌。
2021年11月29日，2021年休斯敦世乒赛进行了女子单打半决赛中，中国选手孙颖莎顺利晋级决赛。
2021年11月29日，在2021休斯敦世乒赛混双赛场，中国队“00后”组合王楚钦/孙颖莎以3-0击败日本队张本智和/早田希娜，首度捧得世乒赛混双冠军奖杯赫杜塞克杯。11月30日，在2021休斯敦世乒赛女双决赛上，王曼昱/孙颖莎3比0横扫日本组合伊藤美诚/早田希娜夺冠；在2021休斯敦世乒赛女单决赛上，孙颖莎以2-4败给王曼昱，获得亚军。12月6日，新加坡WTT世界杯决赛继续进行，女单1/4决赛上演国乒对决，最终孙颖莎3-0战胜队友陈幸同，晋级四强。12月7日晚，新加坡WTT世界杯女单决赛，孙颖莎4-2战胜王艺迪，获得WTT世界杯女单冠军。
2022年1月14日，世界乒乓球职业大联盟（WTT）公布了“WTT澳门冠军赛2021中国之星”参赛名单，孙颖莎将参加本次比赛。1月21日，WTT澳门冠军赛女单1/4决赛，孙颖莎击败刘炜珊晋级单打4强。1月23日，在WTT澳门冠军赛女单半决赛中，孙颖莎2-4不敌刘诗雯。
2022年1月23日，“WTT澳门冠军赛2021中国之星”女子单打晋级决赛。2月25日，据WTT世界乒联官方消息，WTT新加坡大满贯赛事组委会最终决定孙颖莎单打正赛参赛资格。
北京时间2022年3月13日，2022年WTT新加坡大满贯赛女单第二轮，孙颖莎和蒯曼上演德比战，孙颖莎以11比8、11比5、11比5连下三城获胜。
北京时间2022年3月14日，2022年WTT新加坡大满贯赛混双四分之一决赛，王楚钦/孙颖莎以3比0（11比4、11比8、11比9）战胜马来西亚的伊奥内斯库/斯佐茨。3月15日，2022年WTT大满贯新加坡站，孙颖莎/王楚钦3-1战胜黄镇廷/杜凯琹，晋级混双决赛。3月16日，2022年WTT新加坡大满贯女单1/8决赛，孙颖莎反手攻势十足，以11-5/11-5/11-9战胜刘诗雯。3月16日，2022年WTT新加坡大满贯赛结束男女双打半决赛，王曼昱/孙颖莎以3比0获胜闯入女双决赛。3月16日，WTT新加坡大满贯混双决赛，王楚钦孙颖莎vs林昀儒郑怡静。王楚钦和孙颖莎直落三盘拿下WTT新加坡大满贯混双冠军。3月17日，WTT新加坡大满贯女单1/4决赛，孙颖莎vs早田希娜对决结束，孙颖莎一鼓作气拿下第三局，大比分3比0战胜对手，晋级女单四强。3月18日晚，WTT新加坡大满贯女单半决赛，孙颖莎和王曼昱相遇，最终孙颖莎3：4憾负。3月19日，在2022年WTT新加坡大满贯赛结束女子双打决赛中，王曼昱/孙颖莎以3比0横扫日本的伊藤美诚/早田希娜夺冠。 3月22日，据国际乒联消息，国乒主力退出即将进行的WTT多哈球星挑战赛，中国选手退队名单孙颖莎在列。
2022年 3月22日，国际乒联第12周世界排名，孙颖莎名列女单第二。
2022年4月26日，国际乒联第17周世界排名公布，孙颖莎与王曼昱搭档的女双组合以4289分排名世界第一。
2022年5月17日，国际乒联公布2022年第20周世界排名，孙颖莎继续位列女单前四。5月，国际乒联排名孙颖莎为榜首，混双方面，世乒赛冠军孙颖莎排名第二。
2022年6月，首届WTT冠军赛(欧洲夏季系列赛)参赛名单确认，孙颖莎参赛。
2022年7月，国际乒联最新世界排名女单第二位，女双（孙颖莎/王曼昱）第一位，混双（王楚钦/孙颖莎）第二位。7月13日，WTT球星挑战赛布达佩斯站女双1/8决赛，孙颖莎/王曼昱以3比1击败波塔/马达拉茨，顺利晋级8强。7月14日，2022年WTT球星挑战赛布达佩斯站女单第二轮，孙颖莎以3-0淘汰斯洛伐克选手巴拉佐娃。7月15日，WTT布达佩斯球星挑战赛女单1/8决赛，孙颖莎以3比0淘汰奥地利选手波尔卡诺娃，轻松晋级女单8强。同日，WTT布达佩斯球星挑战赛女双四分之一决赛，孙颖莎/王曼昱以3比1（11比9、8比11、11比8、13比11）淘汰和平野美宇/石川佳纯。7月16日消息，2022年WTT球星挑战赛匈牙利布达佩斯站女单四分之一决赛，孙颖莎以3比0（13比11、11比8、11比6）力克早田希娜。7月16日，2022年WTT球星挑战赛匈牙利布达佩斯站女双半决赛，孙颖莎/王曼昱以3比0（11比9、11比8、11比5）战胜跨国组合波尔卡诺娃/斯佐茨。7月17日，2022WTT球星挑战赛布达佩斯站女单决赛，孙颖莎1比4败于王艺迪，无缘女单冠军。7月17日，2022年WTT球星挑战赛匈牙利布达佩斯站女双决赛中，孙颖莎/王曼昱以3比0战胜早田希娜/伊藤美诚夺冠。7月19日，WTT冠军赛单打首轮，孙颖莎以11比8、12比10、11比2淘汰德国选手米特兰姆，晋级女单16强。7月21日，WTT布达佩斯冠军赛单打1/8决赛，孙颖莎以3比0淘汰付玉。7月21日，WTT布达佩斯冠军赛女子单打1/4决赛，孙颖莎以3比1战胜杜凯琹，晋级四强。同月，WTT冠军赛女单半决赛，孙颖莎以3比4不敌王艺迪，无缘决赛。
