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。
2019年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。
