最终与王楠、郭跃携手征战北京奥运会。2008年8月8日，张怡宁在北京奥运会开幕式上代表运动员宣誓。8月17日，张怡宁与王楠、郭跃组成的中国女队于女团决赛中3：0横扫新加坡队，夺得第一届奥运会女子乒乓球团体比赛冠军。张怡宁在第二局中击败李佳薇，第三局与郭跃合作击败王越古/李佳薇组合，为中国队锁定了胜局。8月22日，张怡宁于决赛中4：1击败王楠，成为继邓亚萍之后第二位蝉联奥运会女单冠军的选手，同时也是第二位连续两届奥运会都成为“双冠王”的女子乒乓球运动员。2009年横滨世乒赛是张怡宁在球员生涯参加的最后一项