刘诗雯一共参加了两次奥运会，一个是2016里约奥运会一个是2020东京奥运会。在里约奥运会乒乓球女子团体比赛中，刘诗雯与丁宁、李晓霞一起拿下团体金牌。在刚结束的东京奥运会中，刘诗雯于许昕一起拿下乒乓球混合双打银牌。混合双打结束后刘诗雯因手肘旧伤复发退出了女子团体比赛，与金牌失之交臂。希望刘诗雯能继续代表国家队出战三年后的巴黎奥运会。
25日的半决赛后，“昕雯”曾“揭秘”他们的战术是碾压对手、避免纠缠，26日的决赛显然也是这样计划的。第一局只让对手拿到5分；第二局8:1领先时被对手连追4分，马琳及时叫了一个暂停，“昕雯”回来很快以11:7结束战斗。
不过这毕竟是奥运会决赛，一紧张就习惯性吹球的许昕，第一局又因为欲“吹”又止被裁判警告了一次。这似乎表明，当时比分占优的中国组合并没有看上去那么轻松。
第三局7:7后“昕雯”首次被反超比分，又8：10被对手拿到赛点，随后伊藤美诚一记有力的正手攻球，为日本队扳回一局。
此后的进程陷入双方都不容有失的紧张境地，即便第四局3:0领先时许昕的那记“海底捞月”如神来之笔，中国队还是被对手赢走了两个11:9。
关键的第六局“昕雯”技术与战术齐飞，11:6将双方拉回同一起跑线。然而决胜局里，水谷/伊藤的主动进攻频频奏效，中国组合被打了个0:8，虽然几次逼迫对手失误、退台拉起赢回分数，无奈落后太多，实力超群如“昕雯”也没能改写奥运赛场纪录，最终以决胜局6:11输局输球。
刘诗雯缺席单打原因：
刘国梁直言，这个决定是教练组，包括跟她本人都有过沟通，其实大家都是能够看到和感受到的，这届奥运会跟以前不同，从4年变成了5年，延续这一年还是疫情期间的一年，对于刘诗雯来说还有一个挑战，去年3月份的伤病，伤病出现以后对她来说又是一个意外，其实既是不幸也是万幸，不幸是伤病来了，影响了她的单打，万幸的是奥运会延期了一年，她又赶上了东京奥运会。
在东京奥运会的赛场上，刘诗雯搭档许昕一路杀进了混双决赛，但在决赛中2比0领先被水谷隼/伊藤美诚4比3逆转，获得了银牌。赛后刘诗雯泪流满面，直言对不起大家，对不起团队的努力！原本以为她还会继续征战女团比赛，但由于肘伤选择退出了比赛。没有想到的是，混双的决赛成了刘诗雯在奥运赛场上的绝唱！
